Choisir un filament pour les bras robotisés
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L’impression 3D FDM est devenue l’une des méthodes de fabrication les plus pratiques pour les projets robotiques amateurs et de petite série. Elle permet un prototypage rapide, des itérations de conception courtes, un faible coût de production et la fabrication de pièces complexes sans outillage spécifique. Une conception peut être modifiée, réimprimée et testée en quelques heures, ce qui accélère nettement le développement de mécanismes robotiques par rapport aux méthodes traditionnelles. Elle rend aussi accessibles les pièces de rechange et les petites séries sans équipements coûteux ni moules.
Malgré ces avantages, l’impression FDM soulève plusieurs difficultés techniques. Les pièces imprimées sont généralement moins rigides et moins résistantes que les pièces usinées ou moulées, leurs propriétés mécaniques dépendent fortement de l’orientation d’impression du fait de l’anisotropie entre couches, et beaucoup de matériaux courants perdent en rigidité ou se déforment à des températures relativement modérées. Les performances finales dépendent non seulement du matériau, mais aussi des paramètres d’impression, de la géométrie de la pièce et du post-traitement.
Pour les bras robotisés, ces limites influent directement sur le comportement réel. Les pièces structurelles doivent supporter des charges répétées sans fléchir excessivement, conserver leur précision dimensionnelle, résister à la déformation de longue durée et rester fiables dans un environnement chaud. Elles peuvent aussi subir des charges soudaines lors de collisions, de mouvements brusques, de contacts avec des butées mécaniques, de chutes accidentelles ou de manipulations au montage. Un matériau performant sous charge lente ou continue peut néanmoins se fissurer ou rompre lors d’un choc.
Cet article compare plusieurs filaments renforcés de fibre de carbone couramment disponibles, ainsi que du PLA et du PETG standard comme matériaux de référence. L’objectif est d’évaluer leur aptitude pratique aux composants structurels robotiques dans des conditions d’impression réalistes. Plutôt que de se fier uniquement aux fiches techniques des fabricants, la comparaison s’appuie sur des mesures reproductibles de rigidité en flexion, de tenue en température, de déformation à long terme et de comportement au choc.
Filaments renforcés de fibre de carbone
Les filaments renforcés de fibre de carbone (CF) sont des matériaux composites dans lesquels de courtes fibres de carbone sont mélangées à un thermoplastique classique comme le PLA, le PETG ou le PET. Les fibres agissent comme une charge renforçante qui modifie le comportement mécanique de la pièce imprimée tout en conservant la simplicité de l’impression FDM.
Comparés à leurs équivalents non renforcés, les filaments CF produisent généralement des pièces plus rigides, avec une meilleure stabilité dimensionnelle et une dilatation thermique réduite. Ils présentent aussi un aspect mat caractéristique qui masque les lignes de couche et donne aux pièces un rendu plus professionnel. Le gain réel dépend du polymère de base et du taux de fibre, si bien que le PET-CF, le PETG-CF et le PLA-CF doivent être considérés comme des familles de matériaux distinctes et non comme des variantes d’un même matériau.
Dans cette étude, nous comparons les filaments renforcés de fibre de carbone au PLA et au PETG standard de référence afin d’évaluer le gain pratique qu’ils apportent aux composants structurels de bras robotisé.
Recuit
Le recuit est un traitement thermique contrôlé réalisé en dessous de la température de fusion du polymère. Selon le matériau, ce procédé peut relaxer les contraintes internes et augmenter la cristallinité, améliorant ainsi la rigidité, la tenue en température et la stabilité dimensionnelle sous charge. De nombreux fabricants de filaments renforcés de fibre de carbone recommandent le recuit pour les applications techniques afin d’atteindre les meilleures performances mécaniques.
L’effet du recuit dépend fortement du polymère de base. Le PET-CF, le PETG-CF et le PLA-CF peuvent réagir différemment, et l’amélioration peut aller de négligeable à significative selon la formulation et les conditions de mise en œuvre. Le recuit peut également provoquer des variations dimensionnelles telles que retrait ou gauchissement, indésirables pour des assemblages mécaniques de précision.
Pour en évaluer les bénéfices pratiques, chaque filament renforcé de fibre de carbone de cette étude a été testé à la fois fraîchement imprimé et après recuit selon la procédure recommandée par le fabricant. Cela permet d’apprécier les effets du recuit au regard du temps de traitement supplémentaire et des variations dimensionnelles possibles.
Présentation du programme d’essais
Aucune propriété prise isolément ne détermine si un filament convient à des composants structurels robotiques. Un matériau peut être très rigide et se déformer à température élevée, ou bien bien résister à la chaleur tout en fléchissant progressivement sous charge continue. Les matériaux ont donc été évalués par quatre essais complémentaires, chacun couvrant un aspect différent du fonctionnement pratique d’un bras robotisé.
- Essai de flexion trois points — mesure la rigidité en flexion en relevant la flèche de l’éprouvette sous quatre niveaux de charge contrôlés. Les données permettent de calculer le module de flexion et de comparer la rigidité des matériaux indépendamment des faibles écarts dimensionnels entre éprouvettes.
- Essai de tenue en température — évalue la capacité d’une éprouvette chargée à conserver sa forme à 65–70 °C. Cette plage a été retenue car les servomoteurs situés dans les articulations robotiques atteignent des températures similaires en fonctionnement continu. Si les pièces structurelles ramollissent ou se déforment sous l’effet de la chaleur des moteurs, la précision de positionnement et la fiabilité mécanique se dégradent même sans charges extérieures excessives.
- Essai de déformation à long terme — évalue la résistance du matériau au fluage sous charge continue. En robotique, les composants structurels subissent souvent les mêmes efforts pendant de longues périodes en supportant le poids du bras ou de la charge utile.
- Essais de choc au mouton pendule — comparent la capacité des éprouvettes à absorber l’énergie lors d’une charge soudaine, dans les configurations Izod et Charpy. Les deux configurations appliquent des conditions d’appui et de chargement différentes et révèlent donc des aspects différents du comportement à la rupture.
Limites de l’étude
L’objectif de cette étude est de comparer le comportement de différents filaments dans des conditions d’impression et d’essai contrôlées et reproductibles. Pour limiter l’influence de la géométrie, toutes les éprouvettes ont été imprimées pleines (100% de remplissage) avec des réglages identiques. Cette approche rend les résultats directement comparables entre matériaux, mais ne reflète pas totalement la construction des pièces réelles d’un bras robotisé.
En pratique, la plupart des pièces structurelles FDM sont imprimées avec 30–40% de remplissage, plusieurs périmètres et des géométries optimisées pour la fabrication additive. Des nervures, goussets, sections caissonnées et parois plus épaisses améliorent nettement la rigidité et la résistance tout en limitant la masse et le temps d’impression. Les flèches absolues mesurées ici ne doivent donc pas être interprétées comme le comportement attendu d’une pièce finie.
Les essais de choc ont été réalisés sur un petit banc à pendule non certifié, destiné à l’évaluation comparative des matériaux et non à la mesure normalisée de la résilience. Les résultats sont exprimés sous forme d’indice relatif d’énergie absorbée et ne doivent pas être interprétés comme une résilience en joules ou kilojoules par mètre carré, ni comparés directement aux fiches techniques des fabricants ou aux valeurs normalisées Izod et Charpy.
Matériaux testés
Polymaker Fiberon PET-CF17 a été retenu comme l’un des principaux candidats pour les pièces structurelles de bras robotisé. Le PET-CF est un filament à base de PET renforcé de fibre de carbone, destiné à associer la stabilité dimensionnelle et la durabilité du PET à la rigidité accrue apportée par le renfort. Pour ce projet, il est intéressant car il peut offrir un bon équilibre entre rigidité, imprimabilité et résistance pratique sans passer à des polymères techniques haute température plus exigeants.
Bambu Lab PETG-CF est un filament PETG renforcé de fibre de carbone. Selon Bambu Lab, ce matériau vise à améliorer à la fois les performances mécaniques et l’aspect de surface par rapport au PETG standard, tout en conservant les atouts du PETG : résistance à l’eau, aux huiles, aux graisses, aux UV et aux chocs. Il est également pertinent pour notre projet car il est positionné comme un matériau utilisable pour des pièces fonctionnelles sur des imprimantes grand public, avec une finition plus nette et une souplesse réduite par rapport au PETG classique.
CC3D PETG-CF a été inclus comme autre composite à fibre de carbone à base de PETG. Il offre une comparaison utile avec le Bambu Lab PETG-CF, puisque les deux matériaux reposent sur un concept PETG-CF similaire mais proviennent de fabricants différents. Cela permet de vérifier si le comportement observé tient surtout au type de matériau ou si la formulation propre à chaque fabricant influe sensiblement sur la rigidité, l’état de surface et la qualité d’impression.
Creality Hyper PLA-CF a été inclus comme matériau renforcé de fibre de carbone à base de PLA. Le PLA s’imprime généralement facilement et offre une bonne rigidité, tandis que le renfort de fibre de carbone peut encore l’augmenter et réduire la texture visible des couches. Creality annonce pour son Hyper PLA-CF une résistance élevée, une bonne adhésion entre couches, une finition mate, une texture de couche minimale et des vitesses d’impression jusqu’à 300 mm/s. Pour des pièces de bras robotisé, ce matériau est intéressant car il peut allier rigidité élevée et bel état de surface tout en restant relativement facile à imprimer.
Creality PETG a été testé comme PETG de référence non renforcé. Le PETG est couramment utilisé pour les pièces fonctionnelles imprimées en 3D car il est plus tenace et moins fragile que le PLA standard, tout en restant imprimable sur des imprimantes FDM de bureau classiques. Dans cette étude, il sert de référence pour évaluer dans quelle mesure le renfort de fibre de carbone améliore la rigidité et le comportement en flexion par rapport au PETG classique.
Soleyin Ultra PLA a été testé comme PLA standard de référence. Le PLA est très répandu, facile à imprimer, dimensionnellement stable et donne généralement des pièces d’aspect net. Il peut toutefois être plus fragile que les matériaux à base de PETG et convenir moins aux pièces exposées à des températures élevées ou à des chocs. Dans cette comparaison, il fournit une base utile pour situer le PLA standard face aux options renforcées de fibre de carbone.
Banc d’essai et méthodologie
Essai de flexion trois points
Cet essai vise à mesurer la déformation élastique du matériau sous charges contrôlées. Pour des composants structurels robotiques, la rigidité est essentielle car une flèche excessive dégrade la précision de positionnement et la répétabilité, même à des charges très inférieures à la limite de rupture.
Pour la comparaison expérimentale, nous avons utilisé la conception de banc de flexion trois points publiée par Stefan Hermann (CNC Kitchen), avec de légères modifications pour s’adapter au diamètre d’axe disponible dans notre montage. Les dimensions des éprouvettes ont été conservées à l’identique afin de garder une géométrie d’essai cohérente et comparable.
Le banc se compose de deux axes d’appui inférieurs et d’un axe de chargement supérieur. Pendant l’essai, l’éprouvette repose à ses deux extrémités tandis qu’une charge verticale est appliquée au milieu de la portée. La flèche au centre est mesurée avec un comparateur numérique à des niveaux de charge prédéfinis. Ces mesures servent ensuite à calculer le module de flexion de chaque éprouvette et à comparer la rigidité des matériaux dans des conditions identiques.
Mesure du module de flexion
La grandeur principale comparée dans cet essai est le module de flexion, qui décrit la rigidité de l’éprouvette en flexion dans le domaine élastique.
Concrètement, le module de flexion indique la résistance d’une éprouvette imprimée à la flexion sous une charge connue. Un matériau à module plus élevé fléchira moins sous la même force, tandis qu’un module plus faible se traduira par une flèche plus importante.
Pour notre application de bras robotisé, c’est particulièrement important, car nous cherchons à minimiser la flèche de la structure lorsque le bras est en pleine extension et porte une charge standard.
Pendant l’essai de flexion trois points, nous mesurons quatre points de charge de référence pour chaque éprouvette :
(F₁, δ₁), (F₂, δ₂), (F₃, δ₃), (F₄, δ₄)
où F est la force appliquée et δ la flèche mesurée au centre.
À partir de ces points, nous calculons la pente de la courbe force-flèche :
k = ΔF / Δδ
où k est la rigidité en flexion de l’éprouvette. Elle peut être estimée à partir du premier et du dernier point mesurés :
k = (F₄ − F₁) / (δ₄ − δ₁)
ou par ajustement d’une droite passant par les quatre points mesurés.
Pour une éprouvette de section rectangulaire en flexion trois points, le module de flexion se calcule ainsi :
E = (kL³) / (4bh³)
où L est la distance entre les axes d’appui inférieurs, b la largeur de l’éprouvette et h son épaisseur dans la direction de flexion.
Conditions d’essai réelles
Les éprouvettes ont été testées en flexion trois points dans des conditions d’impression et de mesure identiques pour tous les matériaux. Au moins deux éprouvettes ont été préparées par condition d’essai. Pour les filaments renforcés de fibre de carbone, l’état normal (fraîchement imprimé) et l’état recuit ont été évalués avec au moins deux éprouvettes chacun, tandis que les références PLA et PETG n’ont été testées qu’à l’état imprimé. Chaque éprouvette a été imprimée pleine, avec 4 périmètres, une hauteur de couche de 0,2 mm et une buse de 0,4 mm. Les dimensions nominales étaient de 120 × 12 × 4 mm ; les dimensions réelles de chaque éprouvette ont été mesurées individuellement et utilisées dans le calcul du module. La distance entre les deux axes d’appui inférieurs était de 102,5 mm.
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Durée de séchage du filament | 6 h |
| Périmètres | 4 |
| Remplissage | 100% |
| Diamètre de buse | 0,4 mm |
| Hauteur de couche | 0,2 mm |
| Dimensions nominales de l’éprouvette | 120 × 12 × 4 mm |
| Portée entre appuis L | 102,5 mm |
| Masse de référence par palier | 0,350 kg |
| Force par palier de charge | 3,43 N |
Tableau 1. Conditions d’impression et de mesure de l’essai de flexion trois points.
La charge a été appliquée en quatre paliers à l’aide de masses de référence reproductibles. La masse de référence était d’environ 0,35 kg, soit 3,43 N par palier sous gravité standard ; les quatre niveaux de force étaient d’environ 3,43 N, 6,86 N, 10,30 N et 13,73 N. La flèche au centre a été mesurée au comparateur numérique à chaque palier. Les éprouvettes normales ont été testées juste après impression ; Fiberon PET-CF17, Bambu Lab PETG-CF, Creality PLA-CF et CC3D PETG-CF ont également été testés sous forme d’éprouvettes recuites distinctes.
| Filament | Temp. d’impression (°C) | Temp. de recuit (°C) | Durée de recuit |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 300 | 110 | 6 h |
| Bambu Lab PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 h |
| Creality PLA-CF | 220 | 60 | 6 h |
| CC3D PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 h |
Tableau 2. Cycles de recuit utilisés pour les éprouvettes renforcées de fibre de carbone.
Conditions d’essai complémentaires
L’essai de tenue en température a utilisé la même géométrie d’éprouvette que la flexion trois points. Chaque éprouvette reposait sur une portée de 100 mm et supportait une masse suspendue de 110 g (environ 1,08 N) au centre. Les éprouvettes ont été placées dans une étuve de laboratoire à 65–70 °C pendant 1 heure, après quoi la flèche permanente a été mesurée et comparée à l’état initial.
L’essai de déformation à long terme a été réalisé avec le même appui trois points sous une charge centrale de 1 kg (environ 9,81 N). La flèche initiale a été mesurée immédiatement après application de la charge, puis une seconde mesure a été effectuée après 30 minutes pour quantifier la déformation dépendante du temps (fluage). La charge a ensuite été retirée et l’éprouvette a récupéré pendant 2 minutes avant l’enregistrement de la flèche résiduelle finale. Cette procédure permet de distinguer déformation élastique, fluage sous charge continue et déformation permanente après déchargement.
Essai de choc au mouton pendule
L’essai de choc visait à comparer la quantité d’énergie que les éprouvettes des différents filaments peuvent absorber lors d’une charge soudaine. Il complète l’essai de flexion, qui évalue la déformation sous une force appliquée progressivement. Un matériau peut être très rigide en fonctionnement normal et pourtant se rompre brutalement sous l’impact, tandis qu’un matériau plus ductile fléchira davantage et absorbera plus d’énergie avant rupture. L’essai de choc est donc utile pour les composants robotiques susceptibles de subir des collisions, des contacts avec des butées mécaniques, des chutes accidentelles ou d’autres charges de courte durée.
Le banc a été construit à partir du projet open source Izod Impact Test publié sur Printables comme conception de référence. Il utilise un pendule libéré depuis une position initiale reproductible et une échelle mécanique indiquant jusqu’où le pendule poursuit sa course après avoir frappé l’éprouvette. Plus la course restante du pendule est réduite, plus l’éprouvette a absorbé d’énergie lors de la déformation et de la rupture. Le même banc a été configuré pour réaliser des essais de type Izod et de type Charpy, permettant de comparer les matériaux sous deux dispositions d’appui et de chargement différentes.
Essai de choc au pendule en fonctionnement.
En configuration Izod, l’éprouvette était placée verticalement et bridée à une extrémité, la partie supérieure restant libre. Le pendule frappait la partie exposée, produisant une flexion dynamique en porte-à-faux. Cette configuration concentre les contraintes près de la zone de bridage et permet de comparer utilement la résistance à une charge locale soudaine. Position de l’éprouvette, profondeur de bridage, position de largage du pendule et direction d’impact par rapport aux couches imprimées ont été maintenues constantes entre les essais.
En configuration Charpy, l’éprouvette était posée horizontalement sur deux appuis et frappée par le pendule entre ceux-ci. Cela produit une charge de flexion dynamique dont la disposition générale rappelle la flexion trois points, mais appliquée à vitesse d’impact. L’éprouvette peut se déformer sur toute la portée avant de rompre, si bien que le résultat traduit à la fois la résistance à la rupture et la capacité du matériau à absorber l’énergie par flexion. Les résultats Izod et Charpy ont été évalués séparément, car les deux configurations créent des distributions de contraintes différentes et ne doivent pas être considérées comme interchangeables.
L’échelle du pendule a servi de mesure relative et non de lecture d’énergie étalonnée. L’indice relatif d’énergie absorbée a été calculé comme 100 moins la lecture du pendule après l’impact ; une valeur plus élevée indique donc une plus grande absorption d’énergie dans ce montage. Les résultats doivent donc être interprétés comme des comparaisons entre éprouvettes testées sur le même banc et dans les mêmes conditions, et non comme des valeurs normalisées de résilience en joules ou kilojoules par mètre carré.
Les mêmes types de filaments et conditions d’impression que dans les autres expériences ont été conservés pour les éprouvettes de choc. Le PLA et le PETG standard ont été testés à l’état imprimé, tandis que chaque filament renforcé de fibre de carbone a été testé à l’état imprimé et après recuit. Les éprouvettes recuites ont été préparées avec les températures et durées propres à chaque matériau indiquées précédemment dans le tableau 2.
Résultats de rigidité en flexion trois points
Parmi les éprouvettes fraîchement imprimées, Creality PLA-CF et Fiberon PET-CF17 ont montré la plus grande rigidité, avec des modules de flexion calculés de 2898 MPa et 2891 MPa respectivement. Les deux matériaux ont présenté la plus faible flèche sous charge, ce qui en fait les meilleurs à l’état imprimé. CC3D PETG-CF arrive troisième avec 2319 MPa, devançant à la fois le PETG et le PLA standard.
Les matériaux de référence montrent que le renfort de fibre de carbone ne garantit pas à lui seul de meilleures performances. Creality PETG (2029 MPa) et Soleyin PLA (1862 MPa) se sont révélés nettement plus rigides que Bambu Lab PETG-CF (1595 MPa), bien qu’ils ne contiennent aucune fibre de carbone. Cela souligne l’importance du polymère de base et de la formulation globale, au-delà du seul taux de fibre.
| # | Filament | Module de flexion E (MPa) | Flèche max. (mm) |
|---|---|---|---|
| 1 | Creality PLA-CF normal | 2898.32 | 1.58 |
| 2 | Fiberon PET-CF17 normal | 2891.47 | 1.50 |
| 3 | Soleyin PLA | 1862.16 | 2.40 |
| 4 | Bambu Lab PETG-CF normal | 1594.96 | 2.80 |
| 5 | Creality PETG | 2029.01 | 2.40 |
| 6 | CC3D PETG-CF normal | 2319.00 | 2.00 |
| 7 | Fiberon PET-CF17 recuit | 3480.37 | 1.20 |
| 8 | Bambu Lab PETG-CF recuit | 1831.19 | 2.50 |
| 9 | Creality PLA-CF recuit | 2948.27 | 1.50 |
| 10 | CC3D PETG-CF recuit | 2495.82 | 1.90 |
Tableau 3. Rigidité en flexion trois points et flèche maximale.
Les courbes force-flèche traduisent visuellement les mêmes tendances. Fiberon PET-CF17 (recuit) a systématiquement présenté la plus faible flèche sur toute la plage de charge, suivi de Creality PLA-CF. Bambu Lab PETG-CF est resté le matériau le plus souple avant comme après recuit, les autres matériaux occupant des positions intermédiaires.
Effet du recuit sur la rigidité en flexion
Le recuit a augmenté la rigidité en flexion de tous les filaments renforcés de fibre de carbone testés, mais l’ampleur du gain dépendait fortement du matériau. Comme le montrent les graphiques, la réponse va d’un changement à peine mesurable à une hausse importante de rigidité.
C’est Fiberon PET-CF17 qui a le plus profité du recuit : son module de flexion est passé de 2891 MPa à 3480 MPa, soit +20%. Il est ainsi passé d’une quasi-égalité avec Creality PLA-CF à l’état imprimé au rang de matériau le plus rigide de toute la comparaison.
Bambu Lab PETG-CF s’est également nettement amélioré, de 15%, passant de 1595 MPa à 1831 MPa. Bien qu’il reste le moins rigide des composites carbone testés, ce gain montre que le recuit peut sensiblement augmenter la rigidité des matériaux PETG-CF.
CC3D PETG-CF a réagi plus modérément, avec une hausse du module de 8% (de 2319 MPa à 2496 MPa).
Creality PLA-CF n’a évolué que de 2% (de 2898 MPa à 2948 MPa), ce qui indique que la procédure de recuit recommandée n’apporte que peu de rigidité supplémentaire à ce matériau.
Ces résultats montrent que le bénéfice du recuit ne peut pas être généralisé à tous les filaments renforcés de fibre de carbone. Si tous les matériaux ont gagné en rigidité, le gain va de négligeable à substantiel selon le polymère de base et la formulation. Lorsque la rigidité maximale est l’objectif principal, Fiberon PET-CF17 tire le plus grand bénéfice pratique du recuit dans les conditions testées.
Tenue en température
Les servomoteurs peuvent atteindre 65–70 °C en fonctionnement continu, en particulier sous charge soutenue ou à l’intérieur d’articulations robotiques fermées. Les pièces structurelles proches des moteurs doivent donc conserver leur forme à température élevée pour éviter toute perte de précision de positionnement ou interférence mécanique. Cet essai évalue la capacité pratique de chaque matériau à conserver sa géométrie en supportant une charge constante à des températures représentatives d’un fonctionnement réel.
Les éprouvettes ont été testées à 65–70 °C pendant 1 heure avec la même géométrie nominale que celles de flexion trois points. Chaque éprouvette reposait sur une portée de 100 mm et supportait une masse centrale de 110 g (environ 1,08 N). La flèche au centre mesurée après l’essai a servi d’indicateur de tenue en température sous charge.
| Filament | Normal (mm) | Recuit (mm) | Amélioration |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 3.4 | 0.3 | 11.3× |
| Bambu Lab PETG-CF | 5.9 | 2.5 | 2.4× |
| CC3D PETG-CF | 6.0 | 2.3 | 2.6× |
Tableau 4. Flèche thermique à 65–70 °C après 1 heure sous une charge de 1,08 N.
Creality PLA-CF, Soleyin PLA et le Creality PETG non chargé se sont déformés si fortement dans ces conditions qu’aucune mesure comparable exploitable n’a pu être obtenue.
Les résultats montrent que le recuit influe bien plus sur la tenue en température que sur la rigidité à température ambiante. Fiberon PET-CF17 a connu la plus forte amélioration, la flèche passant de 3,4 mm à 0,3 mm, soit une tenue de forme 11 fois meilleure. Les deux matériaux PETG-CF ont également beaucoup profité du recuit, réduisant leur flèche de plus de moitié, tout en restant nettement moins stables que le Fiberon PET-CF17 recuit.
Les autres matériaux n’ont pas pu conserver leur forme dans les conditions d’essai. Cela ne signifie pas qu’ils soient inadaptés à toute application, mais qu’ils ne devraient pas être retenus pour des composants structurels situés près de servomoteurs fonctionnant en continu, sauf si la température de service peut rester nettement inférieure à la plage testée.
Déformation à long terme
Les composants d’un bras robotisé sont souvent soumis à des charges continues tout en supportant le poids du bras ou de la charge utile. Même suffisamment rigide, un matériau peut se déformer progressivement et ne pas revenir totalement à sa forme après retrait de la charge. Cet essai évalue la résistance du matériau à la déformation dépendante du temps (fluage) et sa capacité à retrouver sa forme initiale après un chargement prolongé.
Chaque éprouvette a été chargée d’une masse centrale de 1 kg pendant 30 minutes avec le même appui trois points décrit précédemment. La flèche initiale a été relevée immédiatement après application de la charge, puis une seconde mesure a été effectuée après 30 minutes pour quantifier le fluage. Après retrait de la charge, l’éprouvette a récupéré pendant 2 minutes, puis la flèche résiduelle restante a été mesurée.
| Filament | Flèche initiale (mm) | Après 30 min (mm) | Flèche résiduelle (mm) |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 N | 1.08 | 1.18 | 0.10 |
| Fiberon PET-CF17 R | 0.82 | 0.92 | 0.02 |
| Bambu Lab PETG-CF N | 1.88 | 2.12 | 0.20 |
| Bambu Lab PETG-CF R | 1.80 | 2.00 | 0.15 |
| CC3D PETG-CF N | 1.60 | 1.64 | 0.14 |
| CC3D PETG-CF R | 1.57 | 1.63 | 0.20 |
| Creality PLA-CF N | 1.15 | 1.37 | 0.29 |
| Creality PLA-CF R | 1.00 | 1.13 | 0.40 |
| Soleyin PLA N | 1.60 | 2.05 | 0.30 |
| Creality PETG N | 1.70 | 1.83 | 0.10 |
Tableau 5. Déformation à long terme sous 1 kg et flèche résiduelle après 2 minutes de récupération.
Parmi tous les matériaux testés, Fiberon PET-CF17 a montré la meilleure stabilité dimensionnelle à long terme. Le recuit a réduit sa flèche initiale de 1,08 mm à 0,82 mm, tandis que le fluage sur les 30 minutes de charge est resté faible (0,10 mm) dans les deux états. Plus important encore, la flèche résiduelle est passée de 0,10 mm à seulement 0,02 mm, soit un retour quasi complet après déchargement.
Bambu Lab PETG-CF a lui aussi profité du recuit, sa flèche résiduelle passant de 0,20 mm à 0,15 mm. À l’inverse, CC3D PETG-CF n’en a tiré presque aucun bénéfice dans cet essai, sa flèche résiduelle augmentant même légèrement, de 0,14 mm à 0,20 mm après recuit. Creality PLA-CF présente la plus grande déformation résiduelle parmi les composites carbone, passant de 0,29 mm à 0,40 mm après recuit.
Ces résultats mettent en évidence une différence importante entre rigidité et stabilité dimensionnelle à long terme. Bien que le recuit ait augmenté le module de flexion de tous les filaments carbone testés, il n’a pas systématiquement amélioré le retour élastique après charge continue. Pour des composants de bras robotisé appelés à porter des charges pendant de longues périodes, Fiberon PET-CF17 est le seul matériau à progresser nettement à la fois en rigidité, en tenue en température et en stabilité dimensionnelle.
Résultats des essais de choc
Les essais de choc au pendule ont servi à comparer la réaction des matériaux à une charge soudaine dans deux configurations. En configuration Izod, chaque éprouvette était chargée comme une poutre encastrée verticale ; en configuration Charpy, elle reposait horizontalement sur deux appuis et était frappée entre ceux-ci. Comme les deux configurations créent des distributions de contraintes différentes et autorisent des déformations différentes, leurs résultats sont présentés séparément.
Les valeurs relevées sont exprimées en indice relatif d’énergie absorbée calculé à partir de l’échelle du pendule. Une valeur plus élevée signifie que davantage d’énergie a été retirée au pendule lors de l’impact. Ces valeurs ne servent qu’à comparer des éprouvettes testées sur le même banc et ne doivent pas être interprétées comme des valeurs normalisées de résilience.
| Filament | État | Izod | Charpy |
|---|---|---|---|
| Creality PLA-CF | normal | 20 | 12 |
| Fiberon PET-CF17 | normal | 15 | 5 |
| Soleyin PLA | normal | 17 | 15 |
| Bambu Lab PETG-CF | normal | 29 | 65 |
| Creality PETG | normal | 24 | 60 |
| CC3D PETG-CF | normal | 20 | 8 |
| Fiberon PET-CF17 | recuit | 8 | 10 |
| Bambu Lab PETG-CF | recuit | 25 | 22 |
| Creality PLA-CF | recuit | 18 | 12 |
| CC3D PETG-CF | recuit | 21 | 13 |
Tableau 6. Indice relatif d’énergie absorbée aux essais Izod et Charpy. Des valeurs plus élevées indiquent une plus grande absorption d’énergie.
Le résultat le plus net est l’absorption d’énergie Charpy nettement supérieure de Bambu Lab PETG-CF et du Creality PETG standard à l’état normal, avec des indices relatifs de 65 et 60. Toutes les autres éprouvettes normales sont restées à 15 ou moins dans la même configuration. Les résultats Izod sont plus resserrés, Bambu Lab PETG-CF enregistrant à nouveau la valeur la plus élevée, suivi du PETG standard.
Le recuit a produit plusieurs changements notables, en particulier la baisse du résultat Charpy de Bambu Lab PETG-CF de 65 à 22 et celle du résultat Izod de Fiberon PET-CF17 de 15 à 8. En revanche, les écarts d’environ 5% entre éprouvettes normales et recuites relèvent des limites pratiques de ce montage et ne doivent pas être interprétés comme une amélioration ou une dégradation confirmée.
Discussion des résultats
Rigidité et résistance au choc
Les résultats montrent que rigidité et résistance au choc sont des propriétés distinctes qu’il ne faut pas confondre. L’essai de flexion trois points mesure la résistance de l’éprouvette à la déformation élastique sous charge progressive, tandis que l’essai au pendule évalue l’énergie absorbée lors d’un impact soudain. Un matériau peut donc être très rigide en fonctionnement normal et rompre brutalement sous un choc.
Cette distinction apparaît clairement en comparant Fiberon PET-CF17 aux matériaux à base de PETG. Fiberon comptait parmi les éprouvettes les plus rigides et est devenu la plus rigide après recuit, mais ses résultats au choc sont relativement faibles. À l’inverse, Bambu Lab PETG-CF était le matériau CF le moins rigide en flexion, mais a enregistré les indices de choc les plus élevés parmi les éprouvettes normales. Le Creality PETG standard suit le même schéma, associant rigidité modérée et très forte absorption d’énergie Charpy.
Ces résultats montrent que le choix du matériau doit dépendre des conditions de charge attendues pour la pièce. Les segments rigides, supports de servomoteurs et structures devant préserver la précision de positionnement profitent surtout d’une rigidité élevée et d’un faible fluage. Les capots, protections, éléments de pince et pièces exposées aux collisions profitent davantage d’un matériau PETG ductile capable d’absorber l’énergie d’impact. Lorsque les deux propriétés comptent, la géométrie de la pièce, l’épaisseur de paroi, les renforts locaux et les éléments de protection remplaçables sont souvent plus efficaces qu’un choix de matériau fondé sur un seul résultat d’essai.
Filaments carbone et filaments standard
Les résultats confirment que le renfort de fibre de carbone peut sensiblement améliorer les performances des pièces structurelles imprimées, mais que l’amélioration n’est pas garantie par le simple ajout de fibres. Le polymère de base et la formulation globale semblent peser davantage que la seule présence de fibres de carbone.
Parmi les éprouvettes fraîchement imprimées, Fiberon PET-CF17 et Creality PLA-CF étaient nettement plus rigides que les références PLA et PETG. CC3D PETG-CF a également devancé le PETG standard en flexion trois points. En revanche, Bambu Lab PETG-CF s’est révélé moins rigide que les deux références, montrant qu’un filament renforcé de fibre de carbone n’est pas automatiquement plus rigide qu’un polymère non chargé.
Les résultats au choc révèlent une autre différence importante. Le Creality PETG standard a obtenu l’un des indices Charpy d’énergie absorbée les plus élevés de l’étude, juste derrière Bambu Lab PETG-CF et très au-dessus des autres composites CF. Cela indique que le renfort carbone n’améliore pas nécessairement la résistance au choc et peut réduire la capacité du matériau à se déformer et à absorber l’énergie avant rupture. L’effet varie fortement selon la formulation : Bambu Lab PETG-CF a montré la plus forte absorption d’énergie parmi les éprouvettes normales, tandis que CC3D PETG-CF et Fiberon PET-CF17 ont donné des résultats Charpy bien plus faibles.
Le renfort de fibre de carbone a également produit un état de surface sensiblement meilleur. Tous les matériaux CF testés présentaient un aspect mat uniforme avec des lignes de couche moins visibles, si bien que les pièces imprimées n’ont nécessité que peu ou pas de finition esthétique. Globalement, les filaments CF doivent être considérés comme des matériaux techniques à part entière, avec des combinaisons spécifiques de rigidité, de stabilité thermique, de résistance au fluage et de comportement au choc, et non comme de simples améliorations de leurs équivalents non renforcés.
Le recuit en pratique
Le recuit a amélioré la rigidité et la tenue en température de tous les matériaux renforcés de fibre de carbone testés, mais l’ampleur et l’intérêt global du changement dépendaient fortement du filament. Le plus grand bénéfice a été observé pour Fiberon PET-CF17, qui a progressé en rigidité en flexion, en tenue en température et en stabilité dimensionnelle à long terme. Bambu Lab PETG-CF et CC3D PETG-CF ont aussi gagné en rigidité et mieux conservé leur forme à température élevée, avec des progrès toutefois moins complets.
Les essais de déformation à long terme et de choc montrent que le recuit ne doit pas être vu comme une amélioration universelle. Une rigidité accrue ne s’est pas toujours traduite par un meilleur retour après charge continue, et la résistance au choc pouvait augmenter ou diminuer selon le matériau et la configuration d’essai. Le résultat négatif le plus marquant concerne Bambu Lab PETG-CF, dont l’indice Charpy est passé de 65 à 22 après recuit. Fiberon PET-CF17 a lui aussi vu son résultat Izod chuter sensiblement.
Le recuit doit donc être choisi en fonction de l’exigence dominante de la pièce finie. Il est très bénéfique lorsque la stabilité thermique, la rigidité et la résistance à la déformation progressive sont prioritaires, en particulier pour Fiberon PET-CF17. En revanche, pour des pièces destinées à absorber des collisions ou des charges soudaines, le recuit peut réduire la ductilité utile et doit être évalué avec soin. Son efficacité dépend du polymère de base, du taux de fibre, de la formulation du fabricant et de l’équilibre de propriétés requis par chaque composant robotique.
Conclusions
Cette étude a comparé plusieurs filaments renforcés de fibre de carbone disponibles dans le commerce au moyen de quatre essais complémentaires : rigidité en flexion trois points, tenue en température sous charge, déformation à long terme et choc au pendule en configurations Izod et Charpy. Les résultats montrent qu’aucune propriété prise isolément ne suffit à désigner le meilleur filament pour tout composant de bras robotisé. Rigidité, stabilité thermique, résistance au fluage et tolérance au choc doivent être considérées séparément.
Pour des pièces structurelles rigides situées près des servomoteurs ou soumises à des charges continues, Fiberon PET-CF17 a offert les meilleures performances globales. Il associe une rigidité très élevée à une excellente stabilité thermique et à la plus faible déformation résiduelle après chargement prolongé. Le recuit a apporté un gain supplémentaire substantiel, ce qui en fait le matériau le plus adapté de cette étude pour les segments, supports de servomoteurs et autres pièces structurelles critiques en précision. Ses résultats au choc comparativement faibles le rendent en revanche moins adapté lorsque la résistance aux collisions prime.
CC3D PETG-CF constitue un second choix pratique lorsque l’on recherche une rigidité modérée, une meilleure tenue en température après recuit, l’imprimabilité du PETG et une bonne qualité de surface. Il n’égale pas Fiberon en rigidité, en tenue à la chaleur ni en stabilité dimensionnelle à long terme, et ses performances au choc restent limitées, mais il offre néanmoins un compromis utile pour des pièces structurelles générales.
Pour des composants exposés à une flexion soudaine, à des collisions ou à des chocs accidentels, Bambu Lab PETG-CF et le Creality PETG standard ont obtenu les meilleurs résultats Charpy à l’état normal. Leur rigidité plus faible et leur moindre tenue en température limitent leur emploi dans des pièces structurelles de précision proches de moteurs chauds, mais ils conviennent mieux aux capots, protections, éléments de pince, pare-chocs et autres pièces destinées à absorber l’énergie plutôt qu’à rester très rigides.
Creality PLA-CF a offert une excellente rigidité à l’état imprimé, mais une faible résistance aux températures élevées et une absorption d’énergie d’impact seulement modérée. Il convient donc surtout aux structures passives ou peu chargées travaillant bien en dessous de la plage de ramollissement du PLA, où la rigidité élevée et la facilité de mise en œuvre importent plus que la tenue thermique ou au choc.
Le recuit ne doit pas être considéré comme une amélioration universelle. Il a nettement accru la rigidité et la stabilité thermique de plusieurs matériaux, en particulier Fiberon PET-CF17, mais il n’a pas systématiquement amélioré le retour élastique à long terme et pouvait réduire l’absorption d’énergie d’impact. Le traitement thermique doit donc être choisi selon l’exigence dominante de la pièce finale plutôt qu’appliqué automatiquement.
Globalement, le meilleur matériau dépend du mode de défaillance attendu. Fiberon PET-CF17 est le choix privilégié pour les structures rigides et thermiquement sollicitées, CC3D PETG-CF une option structurelle secondaire pratique, et Bambu Lab PETG-CF ou le PETG standard peuvent être préférables lorsque la tolérance au choc prime sur la rigidité maximale. Le choix du matériau doit se faire pièce par pièce, en fonction de la température de service, de la charge continue, de la précision de positionnement requise et de l’exposition aux chocs soudains.
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