Magazine Mardi 10 octobre 2017 - 09:00

Les 10 thermoplastiques en fabrication additive

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Les plastiques sont les matériaux les plus utilisés dans les technologies de 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. Ils se présentent sous forme de poudre, de granulé ou de filament. Face à ce constat,A3DM Magazinea décidé de faire le point sur les thermoplastiques utilisés en procédé FDM.

Le potentiel technique de la fabrication additive et de l’impression 3D grâce aux thermoplastiques hautes performances, classiques et aux charges composites est prodigieux. Aussi appelés « polymères », ils sont divisés en deux catégories : les thermoplastiques pour les procédés FDM (par dépôt de matière fondue - Fused Deposition Modeling) et SLS (fusion sélective par laser - Selective Laser Sintering), qui possèdent la caractéristique de pouvoir être refondus, et les matières photosensibles, des polymères liquides ou malléables à des températures basses, mais qui ne peuvent être fondus qu’une seule et unique fois. Ces polymères se présentent sous forme de poudre, de granulé ou de filament. 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, la défense, mais aussi l’industrie de l’électronique ou des biens de consommation.

Les thermoplastiques hautes performances

ULTEM 1010 (nom commercial) ou PEI (polyétherimide)

L’ULTEM (nom commercial) appartient à la famille des polyamides 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 homologuée ULTEM 1010 CG. Il est également possible de produire des outillages pour la plasturgie (composites et plastiques), des composants aéronautiques et des pièces spécialisées pour une utilisation médicale ou alimentaire.

Points à retenir

• Excellentes caractéristiques à des températures élevées

• Excellentes caractéristiques 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

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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 caractéristiques 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

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PEEK (Polyétheréthercétone)

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

Points à retenir

• Excellentes caractéristiques à des températures élevées

• Bonne résistance mécanique, rigidité, dureté

• Excellente résistance aux produits chimiques

Applications

• Alimentaire

• Aéronautique

• Spatial

• Médical

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Nylon (Polyamide)

Le nylon est idéal pour la production de pièces 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

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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. La fabrication additive de ce matériau combine la rapidité de conception et la précision d’un thermoplastique technique.

Points à retenir

• Résistance à la température

• Rigidité et stabilité dimensionnelle

• Résistance aux chocs

Applications

• Industrie

• Électronique

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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

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PPSF/PPSU (polyphénylsulfone)

Le polyphénylsulfone possède la meilleure résistance à la chaleur des matériaux actuellement disponibles pour la fabrication additive ou l’impression 3D. Il est stérilisable, ce qui permet d’utiliser ce polymère dans les industries médicales et alimentaires.

Points à retenir

• Résistance à la chaleur

• Stérilisable

• Résistance aux produits chimique (pétrole et solvant)

Applications

• Automobile

• Médical

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Les matériaux standards

Les matériaux classiques sont les plus utilisés pour les machines de type dépôt de filament (FDM), mais aussi dans l’industrie pour réaliser des prototypes ou des pièces finies à moindre coût. Les pièces produites avec ces polymères standards sont nombreuses : le prototypage, le maquettage, l’outillage rapide… Néanmoins, leurs propriétés sont réduites par rapport aux plastiques techniques.

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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. 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 microfibres à l’échelle du micromètre voire du nanomètre.

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.

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.

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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.

Conclusion

La fabrication additive impacte tous les secteurs de l'industrie en proposant de nouvelles solutions techniques, des machines spécialisées et des matières innovants. Si les industriels pensent souvent au métal et aux pièces métalliques, les thermoplastiques répondent à de nombreux projets. La diversité des thermoplastiques hautes performances permet une adaptation à l'application souhaitée. Ils donnent la possibilité aux industriels de produire en interne des prototypes ou des pièces fonctionnelles hautes performances pour effectuer des tests en situations réelles. Les polymères 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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