L'avènement de la technologie d'impression 3D FDM (acronyme de Fused Deposition Modeling) a rapidement suscité une curiosité croissante de la part de l'industrie et de la communauté des fabricants et des amateurs.
Ce qui a attiré l'attention sur cette technologie a été la possibilité de réaliser un modèle ou un prototype directement à partir d'un fichier CAO avec plus ou moins de simplicité.
Le matériau est un élément important du projet, parce que des matériaux différents confèrent à la même construction des performances très différentes.
Ce guide vise à identifier le meilleur matériau pour votre projet d'impression 3D FDM.
Aujourd'hui, la sélection des matériaux parmi lesquels on peut choisir pour réaliser un projet d'impression 3D FDM est très large. Souvent, les matériaux sont répartis en fonction de leur utilisation ou du coût €/kg très différent entre les différentes familles.
On commence donc par identifier 3 macro-domaines d'utilisation importants:
Voici quelques exemples.
Les filaments qui peuvent être utilisés par toutes les imprimantes 3D low-cost du marché entrent dans cette catégorie. Ils sont faciles à imprimer et, comme ils sont les matériaux les plus utilisés, ils présentent une grande variété de couleurs, de finitions et de variantes "chargées" de différentes matières de remplissage. En revanche, ils ont des propriétés mécaniques faibles à moyennes- basses qui limitent leurs applications possibles et une faible résistance à la température (inférieure à 60°C) qui limite leur champ d'utilisation.
Le PLA est en effet le polymère de loin le plus populaire pour l'impression 3D FDM en raison de sa facilité de traitement, de ses faibles températures d'extrusion et de la non nécessité d'un lit d'impression chauffé, ainsi que de son coût très attractif par kg de matériau. Cependant, il est fortement limité par la température maximale d'utilisation d'environ 40°C - 50°C. Au-delà de cette valeur, on observe un net adoucissement du composant qui perd ses caractéristiques géométriques. Un exemple classique de cette différence de température est l'intérieur d'une voiture stationnée au soleil.
Cette nomenclature comprend les filaments à base de PLA, auxquels sont ajoutés des additifs et des charges pour améliorer certains aspects des performances esthétiques ou de la résistance mécanique et thermique. Malheureusement, comme ils sont basés sur un polymère ayant de faibles propriétés, ils sont meilleurs sous certains aspects mais ne diffèrent pas beaucoup du polymère de base.
L'utilisation du PVB dans l'impression 3D FDM répond au besoin et à la volonté de surmonter les limites de ce processus, qui produit normalement des composants à la finition rugueuse. En fait, le PVB permet un post-traitement en immergeant le composant dans un bain de vapeur de solvant qui se fixe à la surface de la pièce, distribuant le matériau et le lissant. Il est possible d'obtenir des objets avec une finition brillante et similaires aux composants fabriqués par injection. En revanche, les propriétés mécaniques et thermiques de ce matériau sont pauvres et limitent ses utilisations possibles.
Le PETG s'est imposé ces dernières années comme le choix optimal pour sa facilité d'impression similaire à celle du PLA et ses meilleures propriétés thermiques et mécaniques, avec toutefois quelques problèmes: la gestion du rétrécissement et la nécessité d'un lit d'impression chauffé.
Si les matériaux consumer ne répondent pas aux besoins du concepteur, il est nécessaire de se tourner vers des matériaux plus performants, dont les exigences en termes d'imprimabilité sont plus rigoureuses.
Il peut être nécessaire d'utiliser une imprimante avec une chambre fermée qui peut atteindre des températures plus élevées. En plus, une plaque d'impression chauffée est une nécessité absolue.
L'ABS était le matériau standard utilisé par toutes les imprimantes pendant la période de développement du projet RepRap, mais ensuite il a été mis à côté en raison de difficultés d'impression.
Il possède de bonnes propriétés mécaniques, montrant un comportement ductile et une résistance à la température jusqu'à 90°C. Il peut être lissé par polissage chimique grâce à l'action de l'acétone, qui permet de dissoudre et de redistribuer la matière en surface.
L'ASA est un proche cousin de l'ABS et possède des propriétés similaires, mais, contrairement à l'ABS, il est résistant aux UV et aux conditions climatiques.
Sa résistance à la chaleur et ses bonnes propriétés mécaniques en font un matériau de choix pour la création d'outils, de supports et de pièces finales dans differents secteurs, dont l'automobile. Il s'agit d'un polymère rigide que l'on peut également trouver sans colorant, dans une version transparente, grâce à ses excellentes propriétés optiques.
C'est un mélange de deux polymères différents. Il réunit les bonnes propriétés des deux, avec une très bonne ductilité, une bonne résistance à la température et au même temps une facilité d'impression avec peu de déformation.
Les matériaux flexibles ont une élongation élevée à la rupture ainsi qu'un faible module d'élasticité. Ils se caractérisent par une excellente adhérence entre les couches et une très bonne résistance à l'abrasion et à l'usure. Cependant, ils demandent des systèmes d'extrusion spéciaux pour manipuler correctement le fil flexible, qui a tendance à se comprimer et à se déformer dans la section située avant la buse pendant l'impression.
Souvent utilisé pour des applications alimentaires ou en contact avec la peau, le polypropylène présente une bonne résistance et une bonne stabilité chimique ainsi qu'une faible densité. Traitée par la technologie FDM, il se comporte de manière très proche de l'isotropie (résistance mécanique égale dans toutes les directions) grâce à une excellente adhérence entre les couches. Cependant, les structures complexes sont très difficiles à créer, car les substrats du même matériau sont très difficiles à manipuler et à enlever; la stabilité chimique du matériau le rend peu convenable pour les substrats solubles.
Finalement, voici les matériaux industriels à haute performance. Ils ont des propriétés incroyables qui défient, et dans certains cas dépassent, celles de certains métaux comme l'aluminium. Cependant, ils demandent des températures de traitement très élevées, comme une buse supérieure à 400°C, un plateau à 130°C et une chambre d'impression fermée chauffée à 90°C. Pour obtenir des résultats satisfaisants, il faut donc disposer de machines industrielles capables d'atteindre ces températures et de garantir la répétabilité des conditions du processus.
Le Nylon PA12 (famille des polyamides) présente un éventail exceptionnel de bonnes propriétés mécaniques, une bonne résistance à la traction et une excellente ténacité, ainsi qu'une bonne élasticité et ductilité. Il a aussi une bonne résistance à la température jusqu'à plus de 120°C. Enfin, il offre une très bonne résistance à l'usure et à la friction. Toutefois, il est difficile de le travailler correctement à cause de son hygroscopicité (absorption de l'humidité de l'air) et de son rétrécissement pendant l'impression, ce qui peut provoquer des déformations et un détachement de la plaque de construction.
À partir de l'excellente base du PA12, et en ajoutant des fibres courtes de carbone comme charge, on améliore encore la résistance mécanique et thermique, mais on réduit seulement légèrement la résistance à l'impact. Le module d'élasticité augmente considérablement et est plus de cinq fois supérieur à celui du matériau seul. Il est ainsi possible d'obtenir des composants très solides et rigides. L'excellente résistance chimique aux solvants et aux hydrocarbures est maintenue. L'ajout de fibres de carbone est également utile pendant le processus d'impression, parce qu'il stabilise la pièce en réduisant sa déformation.
Le PEEK est un polymère semi-cristallin de la famille des polyaryléthercétones et c'est un des polymères les plus performants disponibles sous forme de filament pour la fabrication additive. Il possède des propriétés spécifiques égales ou supérieures à celles de certains alliages de métaux non ferreux comme l'aluminium, comme la résistance à la traction d'environ 100 MPa. Toutefois, c'est un matériau difficile à manipuler parce qu'il est très hygroscopique et nécessite des températures de traitement très élevées. En plus, les composants détachés de la plate-forme de construction sont amorphes et de couleur ambre, c'est-à-dire que leurs molécules internes sont disposées de façon irrégulière. Un traitement thermique complexe peut être effectué pour obtenir le composant dans un état semi-cristallin, facilement reconnaissable à sa couleur peau. Bien que le traitement thermique améliore les propriétés mécaniques et chimiques du matériau, il diminue la ductilité et la résistance au choc. L'état le plus approprié est choisi en fonction de l'application finale désirée.
Comme pour la variante ajoutée du PA12, le PEEK auquel on a ajouté des fibres de carbone courtes améliore ses propriétés mécaniques et sa résistance à la température à coût de la résistance à l'impact. La température de déflexion s'élève à plus de 310°C et le module d'élasticité double. Tous ces facteurs favorisent une plus grande facilité de traitement, pendant le processus d'impression et pendant les traitements thermiques ultérieurs pour la cristallisation.
Dans ses deux variantes Ultem1010 et Ultem9085, il est utilisé dans des applications aérospatiales, médicales, automobiles, ferroviaires et militaires grâce à ses certifications FST (Fire Smoke Toxicity). Il a une grande résistance aux hautes températures et est un formidable retardateur de flamme. Malheureusement, il est encore plus complexe à imprimer que le PEEK en raison des exigences de température de traitement plus élevées.
Les matériaux de soutien permettent de réaliser des pièces ayant des caractéristiques géométriques qu'il serait impossible de produire sans l'utilisation de structures de soutien, mais qui peuvent être facilement retirées, souvent par dissolution.
Le PVA et le BVOH sont totalement solubles dans l'eau et sont compatibles avec une grande variété de matériaux.
Le HIPS est un support " break-away ", ce qui permet de le retirer des pièces fabriquées en ABS, ASA, PC, etc. Il ne peut être dissous qu'en utilisant un solvant appelé limonène.
En raison de sa simplicité d'impression, du large éventail de finitions disponibles et de son faible prix, le PLA reste le matériau de choix pour de la plupart des prototypes conceptuels de la communauté des fabricants. Il permet d'obtenir des premières copies en un temps réduit afin de se faire une idée des dimensions et de la géométrie des composants et de tester l'ensemble des dimensions/assemblages. Toutefois, il souffre de faibles propriétés mécaniques et thermiques.
Le Nylon PA12 avec fibres de carbone s'est révélé être une excellente solution pour les prototypes fonctionnels et les pièces finales grâce à ses excellentes propriétés mécaniques et thermiques et à la possibilité d'une finition intéressante après traitement. Même s'il est limité dans certaines occasions par son prix plus élevé et ses exigences en matière d'impression, il constitue un excellent choix pour un grand nombre d'applications.
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Si les exigences d'impression et le prix ne sont pas un problème et si l'application nécessite ces propriétés spécifiques, le PEEK est un choix presque obligatoire pour bénéficier de la liberté de conception offerte par la fabrication additive en combinaison avec un polymère dont les propriétés sont même supérieures à celles de certains alliages non ferreux. C'est le bon choix pour les prototypes fonctionnels de haute performance avec des applications intensives dans des environnements thermiques et chimiques complexes.
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Le choix du bon matériau est une phase de conception réelle du projet. En fonction des exigences de conception, de l'environnement de travail et des situations de sollicitation de la pièce, il faut envisager le bon compromis offert par la sélection actuelle de matériaux qui peuvent être produits avec la technologie FDM.
Voici les principaux facteurs à considérer lors du choix du matériau:
Résistance mécanique- c'est la propriété la plus facile à comprendre et celle qui réduit en premier lieu le champ de choix du matériau pour notre prototype. C'est une bonne idée d'avoir un coefficient de sécurité et de ne pas se limiter à utiliser la valeur maximale de la charge que le composant devra supporter; il est aussi vrai que choisir sans raison un matériau à haute performance pour un objet statique ne fera qu'augmenter les coûts;
Température d'utilisation (HDT - CUT)- La HDT ou température de déflexion thermique, correspond à la température à laquelle une éprouvette soumise à une charge fléchit et se déforme plastiquement, tandis que la CUT ou température d'utilisation continue, correspond à la température à laquelle le matériau peut travailler en continu pendant une durée indéterminée. Ces deux aspects sont essentiels pour le choix du matériau, car la résistance mécanique est souvent fonction de la température d'utilisation;
Imprimabilité- inévitablement, les exigences d'impression en matière de température et de taille limitent le choix aux matériaux qui peuvent être utilisés correctement avec l'imprimante 3D choisie. Ces éléments ne doivent pas être sous-estimés car, même si vous pouvez imprimer "quelque chose", des conditions plus strictes sont nécessaires pour obtenir des résultats fiables et reproductibles;
Finition- s'il est nécessaire d'obtenir un bon résultat esthétique (présentations d'entreprise ou de salon professionnel), il sera nécessaire d'évaluer si le matériau choisi peut être traité avec des finitions de surface et de quel type : certains matériaux, bien que très performants en impression 3D FDM, ne donnent pas un résultat esthétique agréable;
Coût- Enfin, le coût joue un rôle dans ce processus de décision, comme dans toute chose, en limitant les options de fabrication des pièces.
En résumé, on a vu qu'il n'y a pas de meilleur matériau de manière absolue, mais que chaque projet nécessite le bon choix du bon élément.
Il faut garder ces règles pour choisir le meilleur matériau pour un projet d'impression 3D FDM :
Si vous avez maintenant reconnu le meilleur matériau pour le projet, vous pouvez passer à l'estimation du coût de votre fichier.
Si vous avez toujours des doutes, ne vous inquiétez pas: comme vous le constatez, le choix du matériau est l'une des phases les plus délicates de la conception. Notre équipe d'experts est là pour vous aider dans votre choix: contactez-les ici pour discuter de votre projet par rapport au matériau.
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