Guide des matériaux d’impression 3D
Quels sont les matériaux utilisés en impression 3D ?
L’impression 3D, également connue sous le nom de Fabrication Additive (FabAdd), se distingue par son processus consistant à empiler des couches de matériaux pour créer un objet.
Parmi la grande variété de matières premières utilisées pour les imprimantes 3D, les principales incluent :
- Poudre de Polymères ou de Métal Aggloméré par Frittage Sélectif : Cette méthode consiste à fusionner sélectivement de la poudre de polymères ou de métal couche par couche pour former l’objet souhaité.
- Polymères Liquides Solidifiés avec une Source UV (SLA ou DLP) : Elle implique la solidification sélective de polymères liquides grâce à une source de lumière ultraviolette, créant ainsi les couches successives de l’objet.
- Filament 3D pour Imprimantes FDM / FFF : Les imprimantes FDM (Fused Deposition Modeling) ou FFF (Fused Filament Fabrication) utilisent un filament de matériau plastique fondu pour construire les couches de l’objet. Utilisé pour nos imprimantes 3D BBX-645.
- Granulés de Plastiques : Les granulés de plastiques peuvent être utilisés comme matière première, offrant une variété de possibilités pour la production.
D’autres matières moins courantes sont également notables, notamment l’extrusion de matière visqueuse (comme le silicone ou l’argile), le ciment, et l’agglomération de sable couche par couche. Ces diverses matières premières permettent de répondre à une multitude d’applications et de besoins en impression 3D.
Quels sont les plastiques utilisés pour l’impression 3D ?
Les matériaux d’impression 3D présentent une diversité impressionnante, avec des caractéristiques telles que l’amorphisme, la semi-cristallinité, la provenance biosourcée, les polymères PHA, les charges (fibres, fibres continues, métal) et les résines (PMMA).
Il existe une multitude de technologies pour empiler des couches de polymères en impression 3D. Par exemple, le SLS (Selective Laser Sintering) / MJF (Multi Jet Fusion) utilise principalement des polymères amorphes tels que le PA12, le PA11 et le PP. En revanche, le SLA (Stereolithography) utilise principalement des résines à base de méthacrylate, plus connues sous le nom de PMMA.
Le FDM / FFF, utilisé sur nos machines 3D BBX-645, se distingue par la plus large gamme de polymères. Que ce soit des filaments 3D amorphes, semi-cristallins, flexibles, chargés en fibres, chargés en poudre métal (MIM), recyclés, conducteurs, cette technologie offre une excellente alternative à l’injection plastique. Elle permet de répondre à une variété impressionnante de besoins et d’applications en matière d’impression 3D.
Quelles caractéristiques sont généralement recherchées ?
Écoresponsable : Recyclé, recyclable, Compostable
Les filaments 3D sont fabriqués à partir de polymères et proviennent de diverses sources :
- Pétro-sourcés : La plupart des filaments sont dérivés du pétrole, et leur recyclage peut varier en fonction du matériau (PLA, PET, PEHD, etc.).
- Bio-sourcés : Fabriqués à partir d’amidon de maïs, les filaments PLA offrent la possibilité d’être recyclés et sont compostables dans des installations industrielles spécifiques et sous certaines conditions.
- Bioplastiques : Ces filaments proviennent de la fermentation bactérienne, comme le PHA. Le PHA est une excellente alternative qui n’implique pas l’utilisation de terres arables pour sa fabrication. Il peut être composté dans divers environnements et promet de ne laisser aucune trace de microplastiques.
Flexibilité / Amortissement
Le TPU (polyuréthane thermoplastique) est un filament de choix en impression 3D FFF, offrant une gamme de flexibilité allant de 60 Shore A, pour les versions les plus souples, à 45 Shore D, pour les plus rigides.
D’autres filaments flexibles FDM sont également disponibles pour des utilisations spécifiques, tels que le TPE-Styrénique ou le TP-Copolyester. Certains de ces filaments peuvent être enrichis en nanotubes de carbone pour obtenir des propriétés ESD (électrostatiques dissipatives) voire même conductrices (électriques et thermiques) grâce à une concentration plus élevée de poudre de carbone.
Il convient également de mentionner les polymères dont la dureté peut varier, contenant des microcapsules expansives qui réagissent à la température d’extrusion en augmentant leur volume jusqu’à 1,5 fois. Ces matériaux sont excellents pour une variété d’applications, étant à la fois légers et résistants aux chocs. Colorfabb produit des filaments à base de TPU, tandis que Nanovia se spécialise dans les filaments à base de PA/Nylon.
Flexibilité / Amortissement
La résistance mécanique est une notion vaste, et elle peut être caractérisée par plusieurs spécificités, notamment :
- Résistance à la Traction : Certains matériaux, comme le TPU, affichent un allongement à trois chiffres, tandis que d’autres, comme le PAGF30, présentent un module de Young d’environ 6 GPa.
- Renfort de Fibres Continues : Certaines imprimantes 3D, telles que celles de Markforged ou Anisoprint, permettent l’insertion de fibres continues en carbone, en verre ou en lin pendant le processus de fabrication. Cela entraîne une augmentation considérable de la résistance à la traction et à la flexion, se rapprochant des propriétés de l’aluminium.
- Résistance à l’Impact : Des matériaux tels que le TPU ou l’ABS sont connus pour leur résistance à l’impact. Il convient de noter que le PLA est relativement fragile, mais des formulations spécifiques, telles que le PLA-Hi de Kimya ou le PLA Tough d’Ultimaker, améliorent sa capacité à résister aux chocs.
- Tenue en Température : La température de transition vitreuse est une valeur qui se rapproche le plus de la résistance à la chaleur des matériaux, bien que cela ne soit pas parfait. Certaines matières, comme le PLA, ont une température de transition vitreuse relativement basse (60°C), tandis que d’autres, comme le PAEK ou le PSU, ont d’excellentes propriétés de résistance à la chaleur (160°C). Le TPU, en revanche, a une température de transition vitreuse très basse (-16°C).
Il est essentiel de choisir le matériau en fonction de ses propriétés mécaniques spécifiques et de son application prévue. N’hésitez pas à nous consulter pour obtenir des conseils adaptés à vos besoins !
Rigidité renforcée, filaments chargés en fibres
Il existe de nombreuses options de charges pour les filaments d’impression 3D. Les fibres courtes telles que le carbone, le lin, le verre ou le Kevlar (aramide) sont utilisées pour augmenter le module de Young, c’est-à-dire la rigidité du matériau.
En revanche, les charges dites exotiques, telles que les coquilles, le marc de café, le blé, etc., sont plutôt utilisées pour réduire la quantité de polymère dans le matériau.
Chez Bombyx Prod, nous utilisons parfois des filaments chargés en poudre métallique ayant une densité proche de celle d’un matériau non imprimable. Cette approche permet de rapprocher le centre de gravité de la pièce imprimée de celui de la pièce souhaitée.
Il est important de prendre des précautions lors de l’utilisation de filaments chargés, car ces charges peuvent souvent être abrasives. Par conséquent, des ajustements doivent être effectués sur nos machines multi-têtes, tels que l’utilisation de buses en acier trempé, le remplacement régulier des tubes PTFE et des roues d’entraînement, entre autres.
ESD / Conducteur
En impression 3D FDM, nous utilisons depuis longtemps des filaments présentant des propriétés ESD, voire même conductrices. Ces propriétés ESD sont particulièrement recherchées dans l’industrie électronique pour réduire les risques de dommages causés aux composants dus à l’accumulation d’électricité statique sur les opérateurs ou les machines. Ces filaments peuvent être utilisés pour créer des pièces telles que des écrans ESD ou des boîtiers ESD.
Plus récemment, la technologie SLS offre également de la poudre PA ESD (rigide) avec un coût élevé. N’hésitez pas à nous consulter pour toutes vos demandes, chez Bombyx Prod, nous proposons une gamme variée de filaments ESD, que ce soit en TPU flexible ESD, en ABS rigide ESD ou en PETg ESD.
Tenue en température
Les propriétés de résistance à la température varient en fonction des polymères utilisés en impression 3D. Les matériaux haute performance, tels que les polymères capables de supporter des températures de fonctionnement continues supérieures à 130°C, sont considérés comme hautement performants.
Cependant, il est important de noter que les matériaux haute performance sont généralement coûteux. Il est donc essentiel d’étudier chaque besoin spécifique pour sélectionner le polymère adapté, réduire les coûts et optimiser les chances de mener à bien votre projet de production de pièces tout en respectant votre budget.
Agressions chimiques / UV
Lors du choix du matériau pour l’impression 3D de votre série de pièces plastiques, il est essentiel de prendre en compte l’environnement dans lequel ces pièces seront utilisées. Voici quelques exemples :
- Environnement Extérieur : Pour une exposition prolongée aux rayons UV en extérieur, des matériaux comme le PETg ou l’ASA sont préférables, car ils résistent bien aux UV.
- Environnement Immersif dans l’Huile : Si les pièces seront immergées dans de l’huile, il est conseillé d’opter pour du TPU, qu’il soit flexible, semi-rigide ou rigide, car ce matériau offre une excellente résistance aux liquides.
- Résistance Chimique et Diélectrique : Le PVDF est un matériau remarquable qui peut résister aux radiations et à une large gamme de produits chimiques tout en étant diélectrique.
Il est crucial de choisir le matériau en fonction des conditions environnementales spécifiques de votre application pour garantir la durabilité et la performance de vos pièces.
Esthétique ( fluorescent, paillette, mate, bicouleur, brillant, bois … )
En impression 3D FDM, il est courant de rencontrer un effet de strate, où les couches d’impression sont visibles. Cependant, il existe des filaments conçus pour atténuer cet effet et offrir une surface plus lisse et esthétique. Voici quelques exemples :
- Filaments Mats : Les filaments mats tels que le PLA Mat et l’ABS Mat limitent la diffusion de la lumière réfléchie, ce qui donne un aspect très satisfaisant en réduisant la visibilité des couches d’impression.
- Filaments Chargés de Paillettes : Certains filaments sont formulés avec des paillettes qui perturbent la réflexion de la lumière. Cela peut rendre les couches typiques de l’impression 3D moins visibles et donner un aspect plus lisse et unique à vos pièces.
Ces options permettent d’améliorer l’aspect visuel de vos pièces imprimées en 3D et d’obtenir un résultat plus esthétique.
La masse
Les filaments chargés en poudre de métal ou céramique, outre l’aspect frittage, peuvent être aussi utilisés lorsque l’on souhaite faire une série de pièces avec un poid et un centre de gravité précis.
Quel type de filament choisir ?
Filament PLA
Le PLA (acide polylactique) est un plastique d’origine biosourcée qui peut être compostable dans certains cas et recyclable pour la majorité. Il est couramment utilisé pour des pièces d’aspect, notamment grâce à des filaments mats comme celui de Filimprimante3D, que nous apprécions chez Bombyx Prod.
Cependant, le PLA est moins fréquemment utilisé pour des pièces mécaniques en raison de ses limitations. Il est rigide, relativement fragile
Filament PETG
Le PETg (Polytéréphtalate d’éthylène glycol) représente un compromis intéressant entre le PLA et l’ABS. L’ajout de glycol au PET le rend plus ductile qu’un PET classique, ce qui le rend plus résistant aux contraintes de serrage. Il présente également une bonne résistance aux environnements extérieurs et à la pression.
Il est important de noter que la qualité du PETg peut varier d’un fabricant à l’autre, et il est nécessaire de prendre en compte le refroidissement lors de l’extrusion pour éviter d’affaiblir la pièce. Les pièces produites avec du PETg peuvent résister à des températures allant jusqu’à 70°C.
Un exemple d’utilisation du PETg est disponible ici avec la production de boîtiers pour le système Secure System.
Cependant, le PLA est moins fréquemment utilisé pour des pièces mécaniques en raison de ses limitations. Il est rigide, relativement fragile
Filament ABS
L’ABS ( Acrylonitrile butadiène styrène ) est un plastique pétrosourcé de la famille des Styrènes. C’est un plastique standard dans l’injection plastique, comme dans l’impression 3D. Plutôt utilisé pour des pièces dont on attend un bonne tenue mécanique.
Filament PA
Le PA ( ou PolyAmide ) est une grande famille de polymères industriels.
On l’appelle parfois Nylon, bien que le Nylon soit un nom commercial ( de l’entreprise Dupont ).
Compatible aussi bien avec le SLS, MJF ou FDM, le PA possède nombreuses formulations
comme le PA 6, le PA 66, PA6.66, PA12, PA11 ( qui peut être biosourcé / dérivé de l’huile de ricin )
Les PolyAmides sont utilisés dans des applications où l’on recherche la résistance aux chocs, à l’usure, aux températures, ou encore aux fluides. Chaque formulation a sa propre caractéristique, parfois moins hygroscopique ( PA11, PA12 ), parfois plus rigide ( PA66 ), plus ductile ( PA6 ).
Chez Bombyx Prod, nous aimons particulièrement le filament PA aux normes EN4554-2 ( European rail ) de chez Nanovia.
Filament TPU
Le TPU ( ou polyuréthane thermoplastique ) est un plastique élastomère utilisé pour la fabrication de pièces souples imprimées en 3D.
Les applications vont de l’industrie automobile à l’industrie du luxe. On trouve différente dureté exprimé en dureté Shore avec différent grade. Le plus flexible utilisé en impression 3D FDM est le 60 Shore A. On peut aussi trouver du semi rigide jusqu’à 70A.
On appréciera dans cette famille de filament sa capacité à absorber les chocs. La fabrication additive permet en plus de moduler la dureté à certains endroits, ce que ne peut absolument pas offrir l’injection plastique. Nous travaillons avec le Kimya TPU 92A, le NinjaFlex et aussi le Filaflex 60A dans certains cas. Notons un filament extraordinaire chez Colorfabb, le VarioShore, qui comme son nom l’indique, peut varier la dureté Shore en fonction de la température d’extrusion.
Un équivalent existe chez Nanovia, mais sur une base de PA.
Quel filament pour quel usage ?
Le filament PETG vs ABS vs PLA
Les filaments PETG, ABS et PLA sont parmi les plastiques les plus courants en impression 3D, et chacun d’entre eux présente des caractéristiques distinctes pour répondre à divers besoins.
Le filament PETG (Polytéréphtalate d’éthylène glycol) est un excellent compromis entre résistance mécanique, durabilité et facilité d’impression. Il est connu pour sa résistance aux chocs et à l’humidité, ce qui en fait un choix populaire pour les pièces fonctionnelles et les prototypes.
L’ABS (Acrylonitrile butadiène styrène) est un plastique robuste, largement utilisé dans l’industrie pour sa résistance mécanique élevée. Il peut résister à des températures plus élevées que le PETG, mais son impression nécessite souvent une plateforme chauffante et une bonne ventilation en raison de l’émission de vapeurs potentiellement nocives.
Le PLA (Acide polylactique) est un matériau dérivé de sources renouvelables comme l’amidon de maïs. Il est apprécié pour sa facilité d’impression, sa faible odeur et sa large gamme de couleurs. Cependant, le PLA est moins résistant aux chocs que le PETG et l’ABS.
En fin de compte, le choix entre ces filaments dépendra de votre application spécifique. Si vous recherchez une grande facilité d’impression et la fabrication de pièces sans grandes contraintes mécaniques, Le PLA est un bon choix. Si la résistance mécanique est cruciale, l’ABS est un aussi un bon choix, mais gardez à l’esprit les considérations de sécurité lors de l’impression. Le PETG offre un excellent équilibre entre ces deux options, ce qui en fait un matériau polyvalent pour de nombreuses applications d’impression 3D.
Quelles marques et origines préférons-nous ?
Chez Bombyx Prod, nous donnons la priorité aux fournisseurs de filament français pour nos besoins en impression 3D. Cependant, dans certains cas spécifiques, nous étendons nos recherches en Europe, comme avec Colorfabb et son PHA, ou Recreus et son Filaflex, ou même en dehors de l’Europe, en nous tournant vers des entreprises telles qu’Essentium, 3DXtech, ou ninjaTek aux États-Unis.
Nous accordons une importance capitale à la qualité du filament que nous utilisons. Avant chaque impression, nous nous assurons que le polymère n’a pas été affecté par l’humidité, car cela peut avoir un impact sur la qualité du résultat final.
Nos fournisseurs sélectionnés sont soumis à des normes strictes en ce qui concerne la qualité de leur composé de filament. De plus, ils effectuent un contrôle de la précision du diamètre tout au long du processus de production, garantissant ainsi une constance de qualité à chaque lot de filament produit.
contrôle de la précision du diamètre tout au long du processus de production, garantissant ainsi une constance de qualité à chaque lot de filament produit.
Nous sommes fiers de collaborer avec des fournisseurs engagés dans l’écoresponsabilité et l’économie circulaire, partageant ainsi notre vision commune de réduire l’impact environnemental de l’impression 3D. Cette coopération nous permet d’accéder à des matériaux de haute qualité répondant à nos normes strictes en matière de durabilité, tout en contribuant à la réduction des déchets et à la promotion du recyclage. Nous croyons en l’importance de chaque petit geste pour construire un avenir plus durable.
Parmi nos fournisseurs privilégiés, nous comptons des fabricants français tels que Kimya, Nanovia et Francofil. De plus, nous collaborons avec des fournisseurs européens de renom, notamment Colorfabb, BASF, DailyFil et Prusament.
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