A la découverte des matériaux d’impression 3D : Les plastiques

Un plastique est un matériau constitué de composés synthétiques ou semi-synthétiques qui a la propriété d’être malléable (capable de changer de forme). La plupart des plastiques sur le marché sont entièrement synthétiques, le plus souvent dérivés de la pétrochimie. Cependant, étant donné les préoccupations environnementales croissantes, les plastiques dérivés de matériaux renouvelables tels que l’acide polylactique (PLA) sont également populaires sur le marché. En raison de leur faible coût, de leur facilité de fabrication, de leur polyvalence et de leur résistance à l’eau, les plastiques sont utilisés dans une multitude de produits et de secteurs. Sur le marché de la fabrication additive, ce n’est pas une exception : c’est la famille de matériaux la plus employée.

Il faut dire aussi que les plastiques sont compatibles avec de nombreuses technologies aujourd’hui disponibles. Le procédé d’impression 3D le plus populaire et le plus abordable, le dépôt de matière fondue, l’utilise par exemple sous forme de filaments ; la stéréolithographie emploie quant à elles des résines photopolymères liquides et le frittage laser nécessite des poudres thermoplastiques. Chaque plastique nécessitera des paramètres d’impression 3D différents au cours du processus de fabrication, et donnera aux pièces des propriétés variables. Afin de mieux comprendre le monde des plastiques en impression 3D, 3Dnatives vous a préparé un guide complet pour vous aider à appréhender chaque matériau, en sachant qu’il en existe bien évidemment d’autres comme le métal ou encore des matériaux organiques.

Les plastiques en impression 3D – FDM/FFF

Les technologies de dépôt de matière fondue sont les plus connues pour utiliser des matériaux plastiques. Ils se présentent sous la forme d’une bobine de filament qui est placée sur l’imprimante 3D. Il existe de nombreuses variétés de plastiques avec différentes caractéristiques pour chaque projet.

ABS

C’est le matériau phare des briques de Lego, très utilisé aussi dans la carrosserie des voitures, les appareils électroménagers et dans de nombreuses applications de capotage. Le plastique ABS, c’est-à-dire l’acrylonitrile butadiène styrène, est le plastique le plus utilisé de l’industrie. Il appartient à la famille des thermoplastiques ou plastiques thermiques et possède une base d’élastomères à base du polybutadiène qui le rend plus souple et résistant aux chocs.

L’ABS a une température d’impression comprise entre 230°C et 260°C et peut supporter des températures très basses (-20°C) et très élevées (80°C). En plus de sa bonne résistance, ce matériau permet d’obtenir une surface polie, est réutilisable et peut être soudé par procédés chimiques (en utilisant l’acétone). Cependant, il n’est pas biodégradable et rétrécit au contact de l’air, raison pour laquelle le plateau d’impression est chauffé afin d’éviter le décollement des pièces. Il est également recommandé d’utiliser une imprimante 3D à enceinte fermée pour limiter les émissions de particules lors de l’impression. L’ABS est employé principalement dans la technique de dépôt de matière fondue (FDM) et, en conséquence, il est disponible avec la plupart des imprimantes maisons. En outre, un dérivé de l’ABS, sous forme liquide, est utilisé dans les procédés SLA et PolyJet.

PLA

L’acide polylactique ou PLA, contrairement à l’ABS, est biodégradable dans certaines conditions car il est fabriqué à partir de matières renouvelables (amidon de maïs). L’une de ses caractéristiques principales est son faible rétrécissement à l’impression 3D, raison pour laquelle des plateaux chauffants ne sont pas nécessaires lors de l’impression. Les températures d’impression ne doivent pas être très élevées, comprises entre 190°C et 230°C.

Le PLA est plus difficile à manipuler du fait de sa vitesse élevée de refroidissement et de durcissement. Il peut également s’abîmer et se déteindre au contact de l’eau. Toutefois, ce matériau généralement translucide est utilisé par la plupart des imprimantes 3D FDM et se décline en une variété de couleurs.

ASA

Techniquement connu sous le nom d’Acrylonitrile styrène acrylate, ce matériau possède des propriétés similaires à l’ABS avec toutefois une meilleures résistances aux rayons UV. On peut quand même avoir quelques complications pendant l’impression, c’est pour cela qu’il est recommandé d’avoir un plateau chauffant. Les paramètres d’impression sont très semblables à ceux utilisés avec de l’ABS – dans le cas de l’ASA, il faut bien faire attention à utiliser des imprimantes 3D avec une enceinte fermée ou effectuer l’impression dans un espace ouvert à cause des émissions de styrène.

PET

Le polytéréphtalate d’éthylène, plus connu sous le nom de PET, se trouve principalement dans les bouteilles en plastique jetables. C’est un filament idéal pour des pièces destinées au contact alimentaire, semi-rigide et offrant une bonne résistance. Pour obtenir les meilleurs résultats d’impression, il est nécessaire d’atteindre des températures de 75°C à 90°C. Le plus souvent commercialisé sous la forme d’un filament translucide, il existe différentes variantes comme le PETG, PETE et PETT. C’est un filament qui n’émet aucune odeur pendant l’impression et qui est 100% recyclable.

PETG

Pour rester dans la même famille, le PETG, ou polyester glycolisé, est un thermoplastique largement utilisé sur le marché de la fabrication additive, combinant à la fois la simplicité de l’impression 3D du PLA et la résistance de l’ABS. C’est un plastique amorphe, qui peut être recyclé à 100%. Il a donc la même composition chimique que le polyéthylène téréphtalate (PET). Du glycol a été ajouté pour réduire son aspect cassant et donc sa fragilité.

PC ou Polycarbonate

Le polycarbonate (PC) est un matériau très résistant conçu pour des applications d’ingénierie. Ce matériau est capable de supporter de hautes températures jusqu’à 150°C sans se déformer. Le polycarbonate est susceptible d’absorber l’humidité de l’air, ce qui peut affecter ses performances et sa résistance à l’impression. Par conséquent, il doit être conservé dans des boîtes hermétiques. Le PC est très apprécié par l’industrie de la fabrication addiitive pour sa solidité et sa transparence. Il a une densité beaucoup plus faible que le verre, ce qui le rend particulièrement intéressant pour la conception de pièces optiques, d’écrans de protection ou d’objets décoratifs.

Les thermoplastiques hautes performances (PEEK, PEKK, ULTEM)

L’évolution des technologies d’impression 3D a entrainé avec elle un large travail de recherche sur les matériaux d’impression, permettant de développer toute une gamme de filaments hautes performances qui présentent des caractéristiques mécaniques similaires aux métaux. Il existe plusieurs types de matériaux hautes performances comme le PEEK, le PEKK ou encore l’ULTEM – on les distingue par famille comme celle des polyaryléthercétones (PAEK) ou encore des polyétherimides (PEI). Ces filaments possèdent une résistance mécanique et thermique très élevées, sont très solides tout en étant beaucoup plus légers que certains métaux. Ces propriétés les rendent très attrayants dans les secteurs de l’aéronautique, de l’automobile ou encore du médical.

Etant donné leurs caractéristiques, les thermoplastiques hautes performances ne peuvent pas s’imprimer sur toutes les machines FDM du marché. Il faut en effet que l’imprimante 3D possède un plateau chauffant capable d’atteindre au minimum les 230°C, une extrusion à 350°C et une enceinte fermée. Aujourd’hui, environ 65% de ces matériaux sont imprimés avec la technologie FDM, mais on les retrouve aussi sous forme de poudres, compatibles avec la technologie SLS.

Polypropylène (PP)

Le PP est un autre thermoplastique très utilisé en automobile, pour les emballages, les vêtements professionnels jetables, et dans la fabrication d’une centaine d’objets du quotidien. Le polypropylène est réputé pour sa résistance à l’abrasion et sa capacité à absorber les chocs, en plus d’une relative rigidité et flexibilité. Un des inconvénients est sa faible résistance aux températures et sa sensibilité au rayonnement UV, raison pour laquelle plusieurs fabricants d’imprimantes ont développé des dérivés de ce matériau, les simili-polypropylènes, afin de renforcer ses propriétés physiques et mécaniques.

Les matériaux flexibles

De nombreux types de filaments sont aujourd’hui commercialisés et l’un des plus grands succès concerne les filaments souples. Ils sont similaires au PLA mais fabriqués à base de TPE ou TPU. L’avantage de ces filaments est qu’ils permettent de développer des objets déformables, très utilisés dans l’industrie de la mode. En général, ils possèdent les mêmes caractéristiques d’impression que le PLA et peuvent avoir différents degrés de rigidité. Il est recommandé de vérifier que l’extrudeur soit bien adéquat pour éviter le bourrage de la machine.

Les composites

Les composites sont extrêmement utiles pour la fabrication de pièces légères mais solides. Les fibres renforcent une pièce sans lui ajouter de poids, c’est pourquoi nous appelons également les composites des matériaux renforcés en fibres. Il existe deux types de renforts, à fibres courtes ou à fibres continues. Dans le premier cas, les fibres coupées, c’est-à-dire des segments de moins d’un millimètre de longueur, sont mélangées à des plastiques d’impression 3D traditionnels pour augmenter la rigidité et, dans une moindre mesure, la résistance des composants. Les fibres coupées peuvent être mélangées avec des thermoplastiques tels que le nylon, l’ABS ou le PLA.

Les fibres peuvent également être ajoutées aux thermoplastiques en continu pendant l’impression 3D pour obtenir une pièce plus résistante. La principale fibre utilisée dans le secteur de l’impression 3D est la fibre de carbone, mais il en existe d’autres comme la fibre de verre ou le Kevlar.

Les matériaux hybrides

Il existe différents types de matériaux qui mélangent une base comme du PLA avec une poudre qui leur donne une couleur ou une finition différente que celle obtenue traditionnellement ; ce sont des filaments généralement composés de 70% de PLA et de 30% du matériau hybride. Sur le marché, on retrouve aujourd’hui des filaments à base de bambou, de liège, de bois, etc. La présence de ces matériaux offre une texture finale plus organique au filament. Certains matériaux hybrides incorporent des poudres métalliques, compatibles avec des technologies d’extrusion, afin de donner aux pièces une finition métallique. Ils peuvent être à base de cuivre, de bronze, d’argent, etc.

Les matériaux solubles

Les plastiques solubles peuvent être utilisés pour imprimer des supports d’impression – en fonction de la complexité et de la technologie utilisée pour la pièce désirée – qui seront par la suite dissous. Les plastiques solubles les plus employés actuellement sont le HIPS (Polystyrène Haut Impact) et le PVA (Alcool Polyvinylique) que l’on peut dissoudre avec du limonène et de l’eau respectivement. Il existe aussi les filaments BVOH ou copolymère de butanediol et d’alcool vinylique, très appréciés dans l’impression 3D à double extrusion pour être un support soluble dans l’eau ; selon les experts il a une meilleure solubilité que le PVA et est compatible avec plusieurs matériaux.

Les plastiques en impression 3D – SLA

Pour des technologies telles que SLA, DLP ou même PolyJet, des résines photosensibles liquides sont utilisées pour l’impression. Celles-ci peuvent être divisées en thermoplastiques et thermo-solides. En fonction de ce que nous choisissons, ils permettent aux objets imprimés d’avoir une finition mate ou brillante. Parmi ces résines, la plupart sont des plastiques évoqués ci-dessus, mais sous forme liquide. Ce qui différencie ces matériaux de ceux des technologies FDM, c’est qu’il n’est pas possible de mélanger des résines pour obtenir des résultats différents. Sachez aussi que l’utilisation de résines en impression 3D implique un processus de post-traitement : il est nécessaire de nettoyer les pièces à l’alcool isopropylique pour obtenir de meilleurs résultats.

La création de pièces à l’aide de résines permet d’obtenir des objets très détaillés avec une surface lisse ; néanmoins, la gamme de couleurs est encore assez limitée avec ce procédé. La résine standard a des propriétés similaires à celles de l’ABS : l’état de surface de la pièce sera bon compte tenu du processus de photopolymérisation, mais les propriétés mécaniques seront modérées. Il existe des résines plus avancées pour des applications techniques telles que la dentisterie (qui doit également être biocompatible) ou l’ingénierie. De plus, des résines souples qui offrent une plus grande flexibilité et déformation peuvent être utilisées pour fabriquer des bijoux. Au fil des ans, les fabricants ont élargi leur gamme de photopolymères liquides pour répondre aux besoins de fabrication de divers secteurs. Par conséquent, vous devriez pouvoir trouver des résines qui résistent aux températures élevées, qui peuvent résister à des impacts importants ou qui ont des propriétés d’allongement élevées.

Les plastiques en impression 3D – SLS

La technologie de frittage sélectif laser utilise des poudres plastiques pour fabriquer des pièces grâce à un laser qui vient fusionner les particules, couche par couche. On retrouve une variété de matériaux différents qui permettent aux objets fabriqués d’avoir différentes caractéristiques en termes de résistance, flexibilité ou texture. Ce sont des matériaux qu’on retrouvera également dans le procédé HP Multi Jet Fusion.

Les polyamides

Les objets en polyamides (nylon) sont généralement créés à partir d’une poudre fine, blanche et granuleuse grâce à la technologie SLS. Il existe cependant quelques variantes de ce matériau, comme le nylon, qui sont également disponibles sous forme de filaments utilisés dans la modélisation par dépôt fondu (FDM). En raison de leur biocompatibilité, les polyamides peuvent être utilisés pour créer des pièces qui entrent en contact avec les aliments (à l’exception des aliments qui contiennent de l’alcool).

Constitués de structures semi-cristallines, les polyamides présentent un bon compromis entre caractéristiques mécaniques et chimiques, d’où leur stabilité, rigidité, flexibilité et sa résistance aux chocs. Ces avantages font que ce matériau a de nombreuses applications dans tous les secteurs et offre un niveau de détail élevé. En raison de leur haute qualité, les polyamides sont utilisés dans la fabrication d’engrenages, de pièces pour le marché aérospatial, le marché automobile, la robotique, les prothèses médicales et les moules à injection. Parmi les polyamides les plus connus, on peut citer le PA12 et le PA11, ce dernier étant issu de l’huile de ricin et est donc plus durable. Ils sont très largement utilisés sur les machines HP et EOS par exemple.

Alumide®

Les objets en alumide sont fabriqués à partir d’une combinaison entre polyamide et aluminium en poudre en utilisant la technologie de frittage sélectif par laser. Avec une surface légèrement poreuse et d’un aspect sableux et granuleux, ce matériau offre une grande solidité, une haute résistance à la température (172 ºC max.) et aux chocs et une relative flexibilité. Cependant, des post-traitements sont généralement nécessaires : meulage, polissage, revêtement et fraisage par exemple.

L’alumide est utilisé pour des modèles complexes, pièces de conception ou pour des petites séries de modèles fonctionnels, ayant besoin d’une rigidité importante et d’un aspect proche de l’aluminium. La technique employée implique des limites géométriques faibles.

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