Impression de moules en filament 3D nylon pour la production de pièces en PRFC

Les méthodes de production les plus courantes pour réaliser les moules en PRFC (Polymère Renforcés de fibres de carbone) sont les méthodes soustractives, telles que le fraisage CNC. Grâce aux progrès de la fabrication additive et notamment de l’impression 3D nylon, il est maintenant possible de construire des moules avec une géométrie plus avancée. Cet article Polymaker propose une étude évaluant la faisabilité de l’utilisation de moules et de noyaux imprimés en 3D pour le moulage en PRFC. Le fabricant de filament présente notamment le processus de moulage et le post-traitement nécessaire pour obtenir les meilleurs résultats possibles.

Comment utiliser les filaments nylon Polymaker pour la fabrication de moule impression 3D ?

Les méthodes utilisées pour le processus de moulage seront décrites en utilisant le moule d’essai PolyMide™ PA6-GF. L’ensemble du processus comprend :

• le premier ponçage
• l’application d’Epoxyprimer
• le second ponçage
• l’ajout d’un agent de démoulage
• le moulage
• le démoulage

Pour débuter l’impression 3D de moule, les moules sont poncés avec du papier abrasif de rugosité 80 à 400. Une rugosité de 80 est nécessaire pour éliminer les plus grandes irrégularités sur les surfaces des moules. Les moules sont ensuite poncés avec du papier plus fin (jusqu’à 400), pour obtenir une surface lisse. La figure 1 illustre le processus de ponçage, tandis que la figure 2 montre le moule en filament 3D nylon PA6-GF après la fin du premier ponçage.

Après la première série de ponçages, l’utilisation du Hagmans Spraymax 2K Epoxyprimer permet d’éliminer les irrégularités des surfaces tout en ajoutant une couche protectrice. Deux couches sont appliquées à 10-15 minutes d’intervalle. Le figure 3 illustre le processus de pulvérisation par deux membres de l’équipe Revolve NTNU.  Après l’application de l’Epoxyprimer, les moules sont laissés pendant environ 24 heures pour durcir et sécher. La figure 4 illustre le résultat après le traitement de toutes les pièces.

Lorsque les moules sont secs, ils sont ensuite poncés à l’aide d’un papier abrasif humide d’une rugosité de 800. Cette étape permet d’obtenir une finition de surface lisse nécessaire au processus de moulage en 3D. Les moules sont ensuite mis à sécher une fois de plus avant de procéder à l’étape de moulage. Avant la pose de la fibre, l’application d’agents d’étanchéité est nécessaire afin d’éviter que la fibre ne colle aux moules. L’agent d’étanchéité utilisé est le Chemtrend Chemlease 712EZ et l’agent de démoulage est le Chemtrend Chemlease 2185. Trois couches d’étanchéité et cinq couches de démoulage sont appliquées sur chaque surface. La figure 5 montre le moule en filament 3D nylon PA6-GF après l’application des agents d’étanchéité et de démoulage, juste avant la pose de la fibre.

Application de la fibre de carbone dans le moule imprimé en filament 3D nylon

Après l’application de la dernière couche d’agent de démoulage, le moule est laissé quelques heures pendant que le noyau en mousse (Rohacell IG-F 31) est séché dans l’étuve pour en éliminer l’humidité. La fibre de carbone (Textreme 64gsm avec MTC275 50% préimprégné) est étalée dans le moule. Puis le noyau en mousse est ajouté, avant l’ajout d’une nouvelle couche de fibre de carbone pour créer une « structure sandwich ». La figure 6a montre la première couche de fibres en cours de pose dans le moule imprimé en filament 3D nylon de PA6-GF.

Après la pose de la dernière couche de fibres, une feuille de film de démoulage est posée sur la pièce moulée pour éviter que les fibres ne collent. Le moule imprimé en filament 3D nylon est ensuite placé dans un sac à vide qui est fermé à l’aide d’un ruban prévu à cet effet. Puis le sac est mis sous vide et le moule mis au four pendant environ 6 heures à 110◦C. Dans la figure 6b, le moule ensaché est montré pendant le processus de mise sous vide. Le moule est ensuite refroidi pendant quelques heures après avoir été durci dans l’étuve. Le processus de démoulage est ensuite effectué. Les figures 6c et 6d montrent la pièce pendant et juste après le démoulage, respectivement.

La figure 7 montre la pièce finie démoulée à côté du moule d’essai en filament 3D nylon PA6-GF utilisé.

Le même processus que celui expliqué ci-dessus est utilisé pour toutes les pièces d’essai et les pièces finales qui seront utilisées sur le véhicule électrique Revolve NTNU de 2021. Bien que seules les étapes utilisant le moule d’essai PA6-GF soient montrées, le processus a donné des résultats suffisants pour la première partie et a donc été utilisé pour les autres moules d’essai.

Fabrication de noyaux pour la production de moules en filament 3D nylon

En raison de l’incertitude quant à l’espace nécessaire entre le moule et le noyau pour que les plis de la fibre de carbone aient suffisamment d’espace, trois types de noyaux sont fabriqués avec des niveaux d’offset différents par rapport à la surface extérieure du volant. Un avec 0,5 mm d’offset, un avec 1,0 mm d’offset et un avec 1,5 mm d’offset.

Les noyaux sont imprimés en deux parties pour une meilleure qualité d’impression. Les noyaux correspondants sont ensuite collés ensemble avec du Scotch-Weld DP 490 3M (Figure 8). Le ponçage des noyaux a été jugé non nécessaire, dans l’espoir que la rugosité favorise la liaison entre la fibre et le plastique. Les fabricants craignaient que les lignes de l’empreinte soient visibles à travers la fibre utilisée, mais cela ne s’est pas avéré contraignant.

Quels matériaux choisir pour l’impression 3D nylon de moules ?

La partie terminée ainsi que le moule ouvert pour les pièces d’essai sont présentés dans les figures 9 et 10 pour les moules en filaments nylon CoPA et PA6-GF.

Le moule en filament 3D nylon PA6-GF imprimé avec l’orientation vue en figure 7 présente une meilleure surface que celui de la figure 10. L’inconvénient de cette orientation est cependant que les bords verticaux autour de la surface du moulage ne sont pas aussi beaux visuellement. Cependant, aucun problème majeur n’a été rencontré pour ce cas pendant le moulage et le démoulage, ce qui signifie que l’orientation de la figure 7 a donné le meilleur résultat global.

Pendant le démoulage, il était évident que les moules en PA6-GF s’étaient tous deux déformés de façon significative. Même s’il ne semblait pas avoir affecté la forme de la pièce réelle, le filament 3D nylon PA6-GF n’est pas adapté à ce type d’application utilisant des températures élevées.

La pièce moulée et le moule fermé utilisant le filament 3D nylon CoPA sont présentés dans la figure 11.

La pièce finie s’est avérée être globalement correcte, mais un certain traitement a dû être effectué. Il semble que le moule ne se soit pas déformé de façon notable, ce qui signifie que ce matériau devrait convenir pour des applications similaires.

Les deux derniers moules fermés ont donné des résultats mitigés. Alors que les moules en filaments 3D nylon PA6-GF et CF ne semblaient pas se déformer au niveau des surfaces de moulage, certains problèmes d’application de l’agent de démoulage ont fait que le résultat final n’était pas satisfaisant. Cela n’avait cependant très probablement rien à voir avec le matériau du moule. Quant au moule ouvert, le matériau PA6-GF a semblé se déformer légèrement, mais comme mentionné précédemment, il n’a pas affecté la forme de la pièce. Cela signifie que le matériau PA6-CF devrait fonctionner pour les applications en moule fermé.

Le moule fermé en PC s’est complètement déformé pendant le durcissement dans le four à 110◦C. Il était également impossible de le démouler pour voir le résultat de la pièce. Cela signifie que le PC ne convient pas au moulage de fibres carbone lorsque les températures utilisées sont proches de 110°C.

Revolve NTNU utilise principalement du MDF (Medium Density Fiberboard) dans le processus de moulage des pièces en fibres de carbone. Les moules imprimés en 3D étaient beaucoup plus rapides à préparer pour le moulage que le MDF, car ce dernier doit être scellé pour empêcher l’humidité de pénétrer dans les pièces pendant le processus de durcissement. Le défi pour les moules imprimés en 3D est la limitation de la taille. Les pièces en MDF fraisées peuvent mesurer des milliers de millimètres en longueur et en largeur, alors que les pièces imprimées en 3D sont limitées à quelques centaines. Cela signifie que les pièces plus grandes ne peuvent pas être moulées à l’aide de moules imprimés en 3D.

Paroi de guidage des moules ST

Les pièces de la paroi de guidage ST étaient similaires aux moules d’essai ouverts décrits précédemment. La différence était qu’un intensificateur a été ajouté à une extrémité pour façonner la pièce afin qu’elle corresponde une fois montée sur le véhicule. Le moule a été fabriqué en filament 3D nylon CoPA, qui a également été utilisé pour l’un des moules d’essai. Le résultat est illustré dans la figure 12. La pièce s’est avérée bonne, et a été fixée au véhicule, comme on le voit dans la figure 13.

Pour le volant, le noyau et le moule ont tous deux été imprimés en 3D. Le matériau utilisé pour toutes les impressions de cette section était le PolyMide™ PA6-CF et le PolyMide™ PA12-CF, ainsi que deux couches de fibres sur le noyau (Figure 15c). Le volant fini a été placé dans la voiture. Cette étape a permis d’évaluer sa parfaite correspondance avec le véhicule. Pour obtenir une belle finition de surface, du papier de verre 500+ a été utilisé ainsi qu’une couche transparente.

Evaluation du moule en filament nylon pour l’impression d’un volant

Après avoir évalué les différents noyaux avec le moule, il a été décidé que le noyau avec 1,5 mm d’offset ne correspondait pas du tout, car 1,5 mm d’offset était trop élevé. Il y aurait eu une pression nulle sur de grandes parties du PRFC, ce qui aurait entraîné une fibre sèche. Il a donc été décidé d’essayer les noyaux avec 1,5mm d’offset sans moule, pour voir quel genre de résultat cela donnerait. Le noyau avec 0,5mm d’offset correspondait à peine. Mais il a été décrété que cela semblait réalisable avec la fibre Textreme 64 gsm (épaisseur de 0.064mm).

Le noyau avec 1,0 mm d’offset n’a pas été testé en raison des contraintes de temps. Mais avec une fibre plus épaisse que le Textreme 64 g/m², la réalisation d’un noyau avec 1.0mm d’offset semblerait réalisable. On obtiendrait ainsi une pièce plus lourde mais plus résistante.

Le traitement du moule du volant a été un peu plus difficile que les autres. Cela est dû à la géométrie beaucoup plus complexe, avec des endroits serrés où il est difficile de poncer correctement. Il en résulte des endroits où il n’était pas possible d’obtenir une surface lisse. Si le PRFC était posé avec cette surface rugueuse, on craignait qu’il ne ressorte jamais. La solution a été d’utiliser du ruban de Teflon sur le moule, là où la rugosité était la plus étendue.

Après avoir appliqué deux couches de Textreme 64 gsm sur le noyau offset de 0,5 mm (figure 15a), le noyau a été placé dans le moule. Ce fut une tâche difficile car le noyau s’est tout juste adapté. Un marteau amortisseur a été utilisé pour le forcer jusqu’au bout dans le moule. Cela signifiait qu’il n’y avait aucun doute que la fibre avait suffisamment de pression sur les côtés.

Après le démoulage, on a pu constater qu’il y avait quelques endroits où la fibre était sèche. Cela est probablement dû à un manque de pression. Cependant, la majorité de la fibre semblait satisfaisante. Après quelques heures de ponçage, le résultat s’est avéré convenable.

Le volant qui a été fabriqué sans utiliser de moule, ne s’est pas avéré aussi bon qu’espéré (figure 15b). Le problème principal était le fait qu’il était partiellement fondu sur un seul côté. Cela a également eu pour conséquence une modification de la géométrie, rendant cette pièce inutilisable. La raison pourrait être que les deux différentes parties centrales étaient composées de deux matériaux ou épaisseurs divergentes. Par conséquent, seule l’une d’entre elles était suffisamment solide pour supporter la pression et la température. Le deuxième problème était la finition extrêmement rugueuse de la surface. Ce n’est pas nécessairement un gros problème, mais il faudrait beaucoup de post-traitement pour obtenir le même rendu de surface qu’avec un moule.

Conclusion

Pour les moules ouverts, l’orientation utilisée pour le moule PolyMide™ PA6-GF Polymaker de la figure 2 a donné le meilleur rendu de surface, tandis que le matériau CoPA est le plus adapté car il ne présente aucun signe de déformation. Le moule fermé en CoPA présente de bons résultats. Alors que les moules en PA6-GF et PC se sont déformés, le moule en PA6-CF a semblé bien fonctionner, ce qui signifie qu’il devrait convenir à ce type d’applications.

Les noyaux imprimés en 3D se sont avérés être une option viable, avec le bon choix d’offset. Bien que vous deviez toujours utiliser un moule pour obtenir les meilleurs résultats. Il est toutefois important d’avoir une intégrité structurelle suffisante afin que le noyau ne s’effondre pas sous la pression et la température utilisée pendant le processus de durcissement.