2026/01/12
High-performance and geometrically complex parts via co-extrusion additive manufacturing of multi-scale continuous carbon fiber-reinforced thermoplastic composites
Verville, M.; Therriault, D. (2026). High-performance and geometrically complex parts via co-extrusion additive manufacturing of multi-scale continuous carbon fiber-reinforced thermoplastic composites. Composites Part B : Engineering, vol. 310, 2026, 113179.
La fabrication additive de polymères renforcés par fibres continues (CFRP-AM) vise généralement à améliorer de manière significative les propriétés mécaniques des pièces imprimées en 3D. Dans cet article, nous développons une infrastructure de CFRP-AM capable d’imprimer un polylactide renforcé par fibres continues de carbone (PLA-SCCF) par co-extrusion (c.-à-d. la combinaison in situ, par extrusion, de la matrice thermoplastique et du renfort en fibres continues). Cette infrastructure utilise un robot à 6 axes pour déplacer une tête d’impression par co-extrusion au-dessus d’un plateau d’impression chauffé, et est contrôlée à l’aide d’un processus de tranchage personnalisé. Un vase mince à paroi courbe et un panneau sandwich multi-matériaux sont fabriqués en une seule étape de fabrication afin de démontrer les capacités de l’infrastructure proposée. Leur fidélité géométrique est mesurée et leurs écarts par rapport au modèle de référence sont tous inférieurs à 1 %. Des scans par micro-tomographie assistée par ordinateur (µCT) sont réalisés afin d’évaluer la micro- et la méso-structure de poutres composites planes imprimées. Les fibres continues représentent environ 44 % en volume (≈ 58 % en masse) du composite, tandis que les vides et la porosité représentent respectivement 0,4 % en volume et 7,9 %. La résistance ultime en traction (UTS) et la rigidité selon la direction principale (E1) sont mesurées sur des poutres planes unidirectionnelles et atteignent 854 MPa et 29,5 GPa, ce qui correspond à des augmentations de 16× et 6,4× par rapport à une pièce renforcée uniquement par environ 3,4 % en volume (≈ 4,5 % en masse) de fibres courtes de carbone, avec un rapport d’aspect moyen d’environ 21. L’infrastructure de CFRP-AM par co-extrusion développée pourrait trouver des applications dans des structures porteuses nécessitant des géométries complexes, notamment dans les secteurs de l’automobile et de l’aérospatiale.