Le pouvoir transformateur des innovations dans les matériaux additifs

L'ascension lente mais régulière de la fabrication additive (FA) dans les environnements de production traditionnels modifie la façon dont les produits de toutes sortes sont conçus, fabriqués et livrés. L'évolution des matériaux avancés élève encore l'industrie en donnant aux pièces et produits d'utilisation finale des propriétés physiques améliorées pour une plus grande utilisation à moindre coût ainsi qu'une livraison plus rapide et moins de déchets.

Selon la société de recherche SmarTech Analysis, les technologies de fabrication additive polymère devraient se déplacer dans une multitude d'industries au cours de la prochaine décennie, la production d'impression atteignant près de 26 milliards de dollars par an d'ici 2030. En compilant les recherches, l'observateur de l'industrie a examiné les pièces en polymère AM couvrant les prototypes, les outils et l'outillage, ainsi que les pièces de production d'utilisation finale dans huit segments industriels, notamment l'automobile, l'aérospatiale, les biens de consommation, l'énergie et le médical.

En particulier, la science des polymères impliquée dans le développement de matériaux additifs pour l'impression 3D est intrinsèquement plus compliquée que la science utilisée pour produire des matériaux pour la fabrication traditionnelle. De plus, les plates-formes d'impression 3D d'aujourd'hui manquent souvent des contrôles de processus rigoureux que l'on trouve dans la CNC et le moulage par injection, ce qui ajoute une autre couche de difficulté.

Le traçage de la trajectoire des matériaux additifs est inextricablement lié aux processus émergents pour extraire une plus grande valeur des combinaisons de polymères existantes et nouvelles. Un regard holistique sur les deux est essentiel pour combler les lacunes du marché tout en introduisant de nouvelles innovations de fabrication.

À mesure que l'adoption de la FA s'accélère, la demande de matériaux nouveaux et améliorés, ainsi que de cas d'utilisation éprouvés et de validations de performances, augmente également. L'une des plus grandes contraintes actuelles est la nécessité d'augmenter la disponibilité de matériaux plus performants. Les entreprises qui accordent la priorité à la science des polymères seront parmi les premières à perturber le marché en élevant les résines de base avec des attributs à valeur ajoutée pour améliorer la convivialité pour un plus grand nombre d'applications.

Parmi les matières plastiques les plus utilisées, des développements sont en cours avec les polyamides (appelés nylons), les thermoplastiques ABS (acrylonitrile butadiène styrène), le PLA (acide polylactique) et le PC (polycarbonate). Chacun de ceux-ci présente des avantages et des inconvénients distincts en termes de propriétés du polymère, de caractéristiques de performance et d'imprimabilité.

Un grand nombre, sinon la totalité, des matériaux additifs les plus populaires peuvent être améliorés grâce au raffinement des formulations de polymères et des procédés de mélange. Des compétences hautement spécialisées dans le contrôle de la morphologie et de la cristallisation des particules sont nécessaires, obligeant les chimistes et les scientifiques à créer et à itérer de nouvelles formules de matériaux.

Par exemple, le nylon 6/6 est l'un des nylons commerciaux les plus largement utilisés pour le moulage par injection. En tant que polymère hautement cristallin, le nylon 6/6 subit des taux de retrait élevés, c'est pourquoi il est généralement utilisé pour produire des pièces relativement petites. La possibilité de modifier la cinétique de cristallisation, cependant, peut étendre l'utilisation de ce matériau stable et éprouvé pour produire des facteurs de forme plus grands.

De même, la capacité d'induire la cristallinité dans des polymères généralement amorphes, tels que le polycarbonate, ouvre la porte à la production de ces matériaux à l'aide du frittage sélectif par laser (SLS), qui est une plate-forme d'impression 3D populaire dans la catégorie de la fusion sur lit de poudre. Le résultat est la production d'un matériau en polycarbonate amorphe qui présente la ténacité et la clarté élevées d'une pièce en polycarbonate moulé par injection dans un facteur de forme beaucoup plus léger.

La chaîne de valeur des polymères s'étend de la création chimique à la formulation, la conversion du facteur de forme, la distribution et la méthode de fabrication, allant de l'impression 3D au moulage traditionnel, à l'extrusion, au broyage ou au revêtement en poudre. Optimiser les matériaux additifs pour tous les types de fabrication n'est pas une mince affaire.

Pour cette raison, les scientifiques des polymères pénètrent dans des territoires inexplorés pour améliorer la résistance, la ductilité, la durabilité, la résistance aux produits chimiques et à l'humidité, le poids et la durabilité des matériaux tout en réduisant les coûts. Cela nécessite une coordination et un étalonnage minutieux de la chimie, de l'ingénierie des polymères et des processus de fabrication pour modifier l'architecture et la méthode de création et de formation des matériaux.

Une itération rapide des matériaux et un réglage fin constant sont nécessaires pour ajuster les propriétés mécaniques, physiques et thermiques. Comme pour tout processus de fabrication, le point de départ est l'application, suivie de près par l'analyse de rentabilisation. Ensemble, ces paramètres critiques aident à dicter la méthodologie de conception, ainsi que la sélection des matériaux et des processus de fabrication.

Dans le monde de la FA, les percées dans les innovations en matière de polymères sont motivées par la demande de composites plus abordables, plus légers et à module plus élevé, ainsi que par la capacité d'imprimer des matériaux qui étaient auparavant trop difficiles à intégrer dans des processus additifs. De plus, l'incorporation d'attributs à valeur ajoutée aux polymères existants inaugure une nouvelle classe de matériaux techniques dotés de fonctionnalités spéciales, telles que des attributs ignifuges ou résistants ; les matériaux renforcés contenant de la fibre de verre, ainsi que des charges minérales, de la fibre de carbone ou des nanotubes.

L'inclusion d'attributs conducteurs est également en augmentation pour traiter les matériaux à dissipation électrostatique (ESD), blindés contre les EMI ou électriquement conducteurs. Le besoin de matériaux lubrifiés est également vital pour réduire le frottement et l'usure des pièces, ainsi que l'ajout de matériaux résistants aux UV pour renforcer la longévité des pièces. Bon nombre de ces attributs sont conçus pour étendre l'utilité des matériaux pour les applications traditionnelles de fabrication et d'impression 3D, et vice versa.

L'opportunité d'augmenter la durabilité des matériaux gagne en importance pour toutes les bonnes raisons. Pour commencer, les entreprises commencent à se soucier davantage de la provenance de leurs matériaux - sont-ils pétrochimiques ou biosourcés ? Le PLA, extrêmement facile à utiliser, est basé sur des ressources renouvelables comme le maïs, la canne à sucre ou la pulpe de betterave à sucre. Le polyamide 11, ou PA 11, l'un des matériaux additifs les plus utilisés, est un bioplastique fabriqué à partir d'huile de ricin. En revanche, le PA 12, un autre plastique couramment utilisé, est un matériau d'origine pétrochimique, tout comme l'ABS, entre autres.

Bien que les matériaux fabriqués à partir de ressources renouvelables puissent réduire l'empreinte carbone, ils ne sont pas nécessairement biodégradables. Comme le côté aval est vital, il est essentiel de déterminer si les matériaux peuvent être recyclés ou compostés une fois qu'une pièce ou un produit arrive en fin de vie. Pour les articles en plastique à usage unique, le type de matériau est une grande préoccupation, ce qui suscite un intérêt considérable pour l'utilisation de matériaux compostables à domicile, biodégradables et dégradables en milieu marin. La recherche et le développement en cours dans la formulation de polymères biodégradables et de matériaux additifs se concentrent sur la meilleure façon de respecter les propriétés strictes de température, d'oxygène et de barrière à l'eau.

L'utilisation de matériaux recyclés post-consommation pour créer des filaments pour la FA pose également des considérations de processus et de coût. Le contrôle de la morphologie pour compenser les défauts et défauts inhérents aux matériaux recyclés est compliqué, surtout lorsqu'il s'agit d'exigences mécaniques rigoureuses. Heureusement, les efforts pour réutiliser et recycler les poudres et autres matériaux utilisés dans la FA sont moins compliqués et, par conséquent, augmentent plus rapidement.

La capacité à réduire l'empreinte carbone en diminuant le poids des produits et en localisant la fabrication sont les principaux avantages de la FA. Il est désormais possible de créer des formes géométriques extrêmement complexes avec moins de pièces pour la consolidation des nomenclatures. De plus, les scientifiques expérimentent différentes chimies pour améliorer la façon dont les charges peuvent être appliquées tout au long de la chaîne polymère pour créer des matériaux plus résistants mais plus légers.

Un bon exemple est le travail des charges de fibres de carbone, qui peuvent être liées tout au long de la chaîne polymère complète pour permettre un transfert de charge beaucoup plus élevé vers les fibres. Cela permet d'obtenir des améliorations significatives de la résistance du matériau, nécessitant moins de matériau à utiliser. En fin de compte, moins de ressources sont nécessaires pour produire des pièces ou des produits plus solides mais plus légers à un coût, des déchets et une consommation d'énergie réduits.

Alors que l'allègement a été un accélérateur majeur pour les applications de FA dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile et de la santé, il s'accélère désormais dans l'électronique grand public. La localisation est un autre moteur important car elle offre la possibilité de fabriquer et de livrer des marchandises plus près des clients finaux afin de rationaliser la gestion de la chaîne d'approvisionnement, de réduire les coûts logistiques et de réduire l'empreinte carbone.

De nouveaux matériaux respectueux de l'environnement suscitent également de l'intérêt pour des avantages environnementaux significatifs par rapport aux titulaires. Un exemple est une polycétone innovante qui peut offrir la durabilité et la résistance du PA 12 mais qui est fabriquée à partir de monoxyde de carbone, ce qui aide à éliminer ce polluant atmosphérique de l'environnement.

D'autres matériaux innovants peuvent réduire et/ou éliminer les fumées et émissions toxiques potentiellement nocives pour les personnes et la planète.

L'utilisation d'une science des matériaux hautement spécialisée, de formulations avancées et de processus de mélange sont des ingrédients essentiels aux recettes idéales pour les matériaux additifs. Cependant, là où le caoutchouc rencontre la route, c'est la capacité de valider et de certifier ces matériaux pour des performances optimales sur diverses plates-formes d'impression 3D.

Un contrôle rigoureux des processus est obligatoire pour garantir la fiabilité et la répétabilité indispensables des caractéristiques cruciales, telles que les performances mécaniques et la précision dimensionnelle. L'intégration des systèmes à travers différents processus et plates-formes est essentielle pour augmenter les volumes de production tout en garantissant des tests, des inspections de qualité et un post-traitement transparents.

À cet égard, l'industrie de la FA est en retard par rapport à la fabrication traditionnelle, qui utilise des niveaux élevés d'automatisation, de contrôle intelligent des processus, d'apprentissage automatique et d'analyse de données. Des lignes de fabrication sophistiquées surveillent et ajustent en permanence les processus de production pour garantir des résultats de qualité supérieure. Pour atteindre des niveaux similaires de cohérence et de qualité de la FA, il faudra des investissements et des innovations continus.

Des spécifications internes et des certifications industrielles pour les matériaux et processus additifs sont nécessaires pour propulser l'industrie vers l'avant. Alors que les règles sont encore en cours d'écriture, de nombreux exemples émanant de centres d'innovation de matériaux et de centres d'excellence de fabrication aident à informer et à guider le développement des meilleures pratiques et des prochaines étapes.

Les organisations ayant une expérience et une expertise dans la fabrication additive et traditionnelle sont prêtes à offrir le meilleur des deux mondes. Non seulement ces experts peuvent permettre aux clients de capitaliser sur le pouvoir de transformation des matériaux additifs, mais ils peuvent également appliquer la combinaison idéale de solutions de fabrication pour produire des pièces et des produits plus performants à moindre coût et avec moins de déchets.

Luke Rodgers est directeur principal, Recherche et développement, Jabil (Saint-Pétersbourg, FL). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de mai 2023 de Tech Briefs Magazine.

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