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Les 10 thermoplastiques à connaître

Les 10 thermoplastiques à connaître

by Gaëtan Lefèvre10 octobre 2017
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Les plastiques sont les matériaux les plus utilisés en fabrication additive. Ils présentent des caractéristiques très différentes en termes de propriétés physiques, de couleurs, de transparence, de biocompatibilité, de résistance, de rigidité, de dureté, d’élasticité, etc. Face à ce constat, A3DM Magazine a décidé de faire le point sur les thermoplastiques utilisés en FDM.

Par Florian Berthelot et Julien Delon de F3DF

Le potentiel technique de l’impression 3D grâce aux thermoplastiques hautes performances, aux matériaux classiques et aux charges composites est prodigieux. Les plastiques sont divisés en deux catégories : les thermoplastiques pour FDM et SLS, qui possèdent la caractéristique de pouvoir être refondus, et les matières plastiques photosensibles, des matériaux polymères liquides ou malléables à des températures basses mais qui ne peuvent être fondus qu’une seule fois. Ces polymères se présentent, généralement, sous forme de poudres, granulés ou de filaments. Les thermoplastiques hautes performances se caractérisent par des propriétés thermiques et mécaniques nettement supérieures à celles des thermoplastiques standards tels que le PLA, l’ABS, le PS… Les secteurs d’application de ces matériaux sont principalement l’aéronautique, le spatial, le médical, l’automobile, l’électronique et la défense. A3DM Magazine analyse quelques points importants et applications des matériaux évoqués.

Les thermoplastiques hautes performances

ULTEM 1010 (nom commercial) ou PEI (polyétherimide)

L’ULTEM (nom commercial) appartient à la famille des polyimides thermoplastiques qui se caractérisent par une excellente stabilité thermique et mécanique à haute température. L’ULTEM 1010 est un matériau technique polyvalent qui s’adapte à de nombreuses applications notamment au médical et à l’alimentaire avec la version homo- loguée ULTEM 1010 CG. Il est également possible de produire des outillages pour la plasturgie (composites et plastiques), des composants aérospatiaux et des pièces spé- cialisées pour une utilisation médicale ou alimentaire.

Points à retenir

  • Excellentes propriétés à des températures élevées
  • Excellentes propriétés mécaniques
  • Résistance aux produits chimiques
  • Capacité de soutenir des cycles répétés à l’autoclave
  • Version homologuée pour le contact alimentaire et la bio-compatibilité

Applications

  • Aéronautique • Spatial • Alimentaire
  • Médical

ULTEM 9085 (nom commercial) ou PEI (Polyétherimide)

L’ULTEM 9085 est un thermoplastique pour la fabrication additive plastique haute performance qui offre une excellente résistance, une excellente stabilité thermique et une faible absorption de l’eau. Il existe aussi une version spécialisée pour les composants d’avion appelée l’ULTEM 9085 Aerospace, qui est conforme aux exigences aéronautiques (documentations et traçabilité).

Points à retenir

  • Excellentes propriétés à des températures élevées
  • Bonne résistance mécanique, rigidité, dureté
  • Excellente résistance aux produits chimiques
  • Capacité de soutenir des cycles répétés à l’autoclave

Applications

  • Aéronautique
  • Militaire
  • Spatial

PEEK (Polyétheréthercétone)

Le polyétheréthercétone est un matériau polyvalent avec d’excellentes propriétés mécaniques. Il permet de fabriquer des prototypes fonctionnels.

Points à retenir

  • Excellentes propriétés à des températures élevées
  • Bonne résistance mécanique, rigidité, dureté
  • Excellente résistance aux produits chimiques

Applications

  • Alimentaire
  • Aéronautique
  • Spatial
  • Médical

Nylon (Polyamide)

Le nylon est idéal pour les applications qui nécessitent une grande résistance à la fatigue et à la tension, comme les clips à emboîtement à usage répétitif et les inserts à serrer.

Points à retenir

  • Excellente résistance à la fatigue
  • Allongement à la rupture supérieur aux autres matières

Applications

  • Automobile
  • Médicale
  • Sports

Polycarbonate (PC)

Le filament en polycarbonate produit des prototypes fonctionnels, des outils et des pièces d’utilisation finale dans un matériau d’ingénierie familier et durable. L’impression 3D de ce matériau combine la rapidité de fabrication et la précision d’un thermoplastique technique.

Points à retenir

  • Résistance à la température
  • Rigidité et stabilité dimensionnelle
  • Résistance aux chocs

Applications

  • Industrie
  • Électronique

Acrylonitrile styrène acrylate (ASA)

L’acrylonitrile styrène acrylate est un dérivé technique de l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène) possédant une excellente résistance aux UV (ultraviolets). Il est possible de produire des prototypes ou des pièces finies à usages extérieurs.

Points à retenir

  • Résistance aux UV
  • Résistance aux chocs

Applications

  • Automobile
  • Électronique
  • Extérieur

PPSF/PPSU (polyphénylsulfone)

Le polyphénylsulfone possède la meilleure résistance à la chaleur des matériaux actuellement disponibles pour l’impression 3D. Il est stérilisable pour des applications médicales et alimentaires.

Points à retenir

  • Résistance à la chaleur
  • Stérilisable
  • Résistance aux produits chimique (pétrole et solvant)

Applications

  • Automobile
  • Médical

Les matériaux standards

Les matériaux classiques sont les plus utilisés pour les imprimantes 3D de type dépôt de filament et dans l’industrie, pour réaliser des prototypes ou des pièces finies à moindre coût.

Les applications pour ces matériaux standards sont nombreuses : le prototypage, le maquettage, l’outillage rapide… Néanmoins, les propriétés de ces matériaux sont réduites par rapport aux plastiques techniques.

Les charges composites

Les matériaux plastiques (standards et hautes performances) peuvent être chargés avec des fibres composites pour augmenter leurs propriétés mécaniques comme la rigidité, la résistance aux chocs et leurs propriétés thermiques telles que la conductibilité et la résistance.

De nombreux consommables chargés sont disponibles sur le marché. Nous vous proposons de faire un point sur les principales charges et leurs caractéristiques. Attention toutefois : les fibres composites étant abrasives, il est conseillé d’utiliser des buses dans un acier résistant pour éviter une usure prématurée.

Un matériau composite est composé d’une « matrice », ici le plastique, et d’un « renfort » ou « charge ». Les charges qui composent les filaments sont des micro- fibres à l’échelle du micromètre voire du nanomètre.

La fibre de verre

La fibre de verre est la plus utilisée dans l’industrie du composite, notamment pour son coût qui est le moins élevé. Elle est obtenue à partir de sable (silice) et d’additifs (alumine, carbonate de chaux, magnésie, oxyde de bore). On distingue trois types de fibres.

  • E : pour les composites de grande diffusion et les applications courantes.
  • R : pour les composites hautes performances.
  • D : pour la fabrication de circuits imprimés (propriétés diélectriques).

La fibre de verre présente une résistance aux agents chimiques, offre une stabilité dimensionnelle et une faible conductibilité thermique.

Le carbone

Les matériaux thermoplastiques chargés en fibre de carbone ont une meilleure résistance à la chaleur, une rigidité accrue et une meilleure stabilité dimensionnelle lors de l’impression. C’est la fibre la plus utilisée dans les applications hautes performances. Elle peut être obtenue par carbonisation de la fibre de PAN (polyacrylonitril). Selon la température de combustion, on distingue deux types de fibres.

  • Haute résistance (HR) : pour une température jusqu’à 1000 à 1500 °C.
  • Haut module (HM) : température jusqu’à 1800 à 2000 °C.

La fibre d’aramide ou KEVLAR (nom commercial)

Cette « charge » permet d’augmenter sensiblement la tenue aux chocs et la fatigue d’une pièce. Elle résiste également aux agents chimiques tels que l’essence et possède d’excellentes propriétés d’isolation électrique. Il est possible de trouver deux types de fibres d’aramide de rigidités différentes.

  • Les fibres bas module : utilisées pour les câbles et les gilets pare-balles.
  • Les fibres haut module : employées dans le renforcement pour les composites hautes performances.

Caractéristiques moyennes des fibres et renforts

Conclusion

La fabrication additive impacte tous les secteurs de l’industrie en proposant de nouvelles solutions techniques, des imprimantes spécialisées et des matériaux innovants. La diversité des thermoplastiques hautes performances permet une adaptation à l’application souhaitée. Ils donnent la possibilité aux entreprises de produire en interne des prototypes ou des pièces fonctionnelles hautes performances pour effectuer des tests en situations réelles. Les matériaux standards (PS, ABS, PETG et PLA) sont disponibles à des coûts moins élevés. Le rôle principal des charges composites est d’apporter une résistance mécanique supplémentaire au matériau plastique.

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Gaëtan Lefèvre

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