Magazine Lundi 5 octobre 2020 - 10:03

Les polymères continuent de dominer le marché

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Depuis l’origine de la technologie, 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. Ils se présentent sous forme de poudre, de granulé ou de filament. Un vaste choix pour de nombreuses applications.

Après une période faste pour les technologies de fabrication additive, c’est au tour du marché des matériaux de connaître une croissance exponentielle. L’augmentation des consommables est constante en termes tant de gammes de matériaux que de fournisseurs. Le secteur a connu, en 2018, une croissance dont une grande partie est assurée par les métaux. Les revenus de ces derniers ont augmenté d’environ 41,9 %. Pourtant, ce sont bien les polymères qui continuent de dominer le marché. Ils connaissent également une forte croissance, avec des ventes record pour les poudres plastiques. Diverses évaluations, de différents think tanks, positionnent la valeur du marché mondial des matériaux de fabrication additive, en 2019, entre 1,5 milliard de dollars pour Markets and Markets et 8,4 milliards de dollars pour Market Insight Reports. Les prévisions les plus optimistes estiment le marché à 36,61 milliards de dollars d’ici la fin de l’année 2025. De belles perspectives !

Le marché de la fabrication additive polymère

Bien que la définition de la « fabrication additive » soit universellement acceptée et approuvée par les principaux organismes de normalisation dont l’ISO (Organisation internationale de normalisation) et l’ASTM (Organisation américaine de la normalisation), les frontières de la technologie sont plus floues. La fabrication additive couvre un ensemble de procédés et de technologies diversifiés. Ceux-ci sont généralement liés à l’utilisation d’un ou de plusieurs matériaux (figure 1).

La fabrication additive plastique

Il existe de nombreux procédés de fabrication additive, dont sept ont été normalisés par l’ISO (Organisation international de normalisation), chacun regroupant plusieurs technologies. Différentes technologies permettent l’impression 3D plastique, chacune possédant ses caractéristiques propres.

  • Inventée en 1986 par Charles Hull, fondateur de la société 3D Systems, la stéréolithographie (SLA) utilise le principe de photo-polymérisation, où une lumière UV solidifie une couche de résine photopolymère liquide. Le procédé d’impression 3D SLA possède de nombreux avantages, dont la qualité des détails et la finition des objets imprimés. Elle offre une bonne résistance inter-couche à la pièce grâce à la réaction de polymérisation qui se fait aussi avec les couches précédentes. Cependant, le prix des machines SLA peut s’avérer plus élevé que celui d’autres procédés technologiques d’impression 3D. La technologie nécessite une étape de post-traitement, principalement la solidification dans un four, pouvant déformer légèrement la pièce. Enfin, les pièces fabriquées peuvent également se modifier avec le temps et au contact de la lumière.
     
  • Inventée par S. Scott Crump, fondateur de la société Stratasys, en 1988, le dépôt de matière fondue (FDM ou Fused Deposition Modeling) fonctionne par dépôts successifs de couches d’un filament chauffé et fondu par une tête d’impression guidée par un moteur. Les principaux avantages de la technologie résident dans sa simplicité d’utilisation, le faible prix de certaines imprimantes, ainsi que le faible coût de production par pièce. Mais, la précision de l’impression et le rendu final ne sont pas toujours convenables et appropriées. 
     
  • Le frittage sélectif par laser (SLS - Selective Laser Sintering), inventé, dans les années 1980, par Carl R. Deckard, utilise un laser pour concevoir la pièce couche par couche, en frittant ou en fusionnant une poudre polymère. Ce procédé a fait ses preuves tant pour la qualité et la productivité du système de fabrication que pour la large gamme de matériaux qu’il offre. Cependant, l’impression SLS peut se révéler coûteuse en fonction du matériau, mais aussi parce que le laser est un produit cher. Enfin, l’utilisation de la poudre pose des problèmes d’hygiène, de sécurité et d’environnement. L’investissement pour sécuriser sa manipulation est un coût supplémentaire. 
     
  • Appartenant à la famille du procédé par jet de matériau (Material Jetting), l’impression 3D PolyJet a été inventée et brevetée par la société Objet Ltd. Elle consiste à déposer des couches de résine photopolymère goutte par goutte avant un traitement ultraviolet pour durcir le matériau. Elle permet la production de pièces rapidement, avec une bonne précision, une haute résolution, une finition optimale et de la couleur ou de la transparence. 
     
  • Le procédé d’impression 3D par jet de liant est un procédé utilisant un agent liant, déposé localement sur une fine couche de poudre, couche par couche, selon le modèle 3D. Cette technologie est rapide et économique. Ses capacités de fabrication sont excellentes pour la production de petites et de moyennes séries. Mais, la qualité d’impression est souvent moindre et les objets imprimés par jet de liant sont aussi moins résistants que d’autres techniques de fabrication additive. 
     
  • La technologie Multi Jet Fusion (MJF) a été inventée en 2016 par l’entreprise américaine HP. Elle est proche de la technique d›impression 3D par projection de liant ou Binder Jetting. Elle permet de fabriquer rapidement des pièces avec des formes complexes à faible coût, que ce soit pour de la petite série ou pour des prototypes afin de tester la forme, l'ajustement et la fonctionnalité. Elle offre des caractéristiques mécaniques comparables à celles des pièces moulées par injection.
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 Figure 1 : Procédés et matériaux en fabrication additive

Marché et perspectives

Parmi l’ensemble des procédés et matériaux qui ne cessent de se multiplier, ce sont les photopolymères et les polymères en poudre et en filament qui trustent le marché. Selon le dernier rapport Wohlers, ils représentent 80,6 % du marché. Les photopolymères accaparent ainsi 31,9 %, soit presque un tiers du marché global. Ils sont suivis par les poudres polymères avec 28,1 %, puis par les filaments avec 20,6 %. Le métal, avec 17,4 %, se trouve au pied du podium. Le reste des matériaux (céramiques, cires, feuilles...) représentent uniquement 2 % des ventes (figure 2). Au sein des polymères, le marché est réparti de la manière suivante : 56,6 % pour le polyamide, 22,9 % pour les photopolymères, 7,2 % pour l’ABS, 3,6 % pour le PLA, 3,6 % pour l’ULTEM et 6 % pour les autres.

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  Division du marché des matériaux

Figure 2 : Division du marché des matériaux 

Si la photopolymérisation et le dépôt de matière fondue restent – en raison de leurs histoires – des procédés incontournables, SmarTech Analysis met en lumière les procédés en lit de poudre qui ont connu, ces dernières années, une forte augmentation. Dans son rapport publié en mars dernier (figure 3), l’analyste américain, spécialisé dans l’industrie de la fabrication additive, estime que le marché de la poudre polymère pourrait générer, à partir de 2024, plus de revenus que l’extrusion de matière et se rapprocher de la photopolymérisation. La technologie est surtout appréciée par les industriels, principaux acteurs de son développement constant. Ses propriétés en font effectivement un bon prétendant aux applications industrielles : un volume d’impression suffisant, un haut niveau de productivité et de répétabilité, ainsi que la possibilité de fabriquer des pièces en couleur et possédant de bonnes propriétés mécaniques.

Le marché des polymères en fabrication additive devrait bien se porter dans les prochaines années. Le quatrième rapport annuel de SmarTech Analysis comprend une analyse détaillée des revenus générés par les pièces imprimées et propose une perspective du marché de 2019 à 2024. Il prévoit ainsi une croissance continue du marché qui pourrait générer jusqu’à 11,7 milliards de dollars en 2020 et atteindre 24 milliards de dollars en 2024 (figure 3). En termes de développement sectoriel, l’automobile et l’aéronautique devraient rester, « au cours des 10 prochaines années, les plus grands utilisateurs des procédés polymères principalement pour des applications d’outillage et de prototypage ». Le troisième secteur qui pourrait tirer son épingle du jeu est celui des biens de consommation, particulièrement intéressés par la personnalisation et la fabrication sur mesure qu’offre la technologie. « Le total des pièces imprimées en plastique imprimées devrait atteindre 40 milliards de dollars d’ici 2030, un chiffre en croissance, mais encore relativement faible par rapport à l’industrie manufacturière dans son ensemble. »

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  Marché des polymères en fabrication additive de 2019 à 2024

Figure 3 : Marché des polymères en fabrication additive de 2019 à 2024

Les principaux polymères utilisés en fabrication additive

Propriétés des matériaux polymères pour la fabrication additive

Le marché de l’impression 3D est directement lié aux matériaux disponibles qui possèdent différentes propriétés. Ceux-ci doivent donc répondre aux besoins des utilisateurs, tout en respectant la valeur ajoutée offerte par la fabrication additive par rapport aux procédés traditionnels. Certaines de ces propriétés sont clés pour les industriels, et donc essentielles pour le développement du marché des matériaux en impression 3D. Voici quelques-unes des propriétés les plus demandées :

  • Stabilité mécanique. Le matériau ne doit pas se déformer durant l’ensemble du processus de fabrication mais également après. La stabilité mécanique définit la durée de vie du produit, permet sa manipulation et offre une imitation de propriété des matériaux traités de manière conventionnelle (par exemple, par moulage par injection).
  • Stabilité chimique. Le matériau doit avoir une structure chimique cohérente. Il doit être inerte lorsqu’il est en contact avec d’autres matériaux pendant et après le traitement. Cela permettra une combinaison possible avec d’autres matériaux, sans réactions indésirables.
  • Stabilité thermique. Le matériau doit avoir des propriétés (indice de fusion, taille des particules, adhérence, etc.) requises pour les processus de fabrication additive choisis. Il doit également posséder des propriétés thermiques (température de transition vitreuse, résistance au fluage, résistance aux basses et hautes températures, etc.) requises pour l’application finale.
  • Biocompatibilité. La biocompatibilité est essentielle pour les applications médicales et biologiques telles que les implants corporels et l’orthodontie. Elle est également importante pour les pièces qui doivent être recyclées ou déposées dans une installation de traitement des déchets. Ces pièces doivent avoir un effet toxique faible ou nul sur l’environnement et, si possible, être biodégradables.

De nombreuses autres caractéristiques définissent les polymères : la couleur, la transparence, la résistance, la rigidité, la dureté, l’élasticité, etc. Chaque procédé offre une gamme de matériaux avec des propriétés précises. Par exemple, la stéréolithographie utilise des photopolymères (c’est-à-dire des polymères qui changent de propriétés lorsqu'ils sont exposés à la lumière, comme les UV), alors que les procédés en lit de poudre utilisent plus généralement des polyamide

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  Matériaux polymères et procédés d’impression 3D

Figure 4 : Matériaux polymères et procédés d’impression 3D

Les principaux polymères utilisés en fabrication additive

L’ABS est défini comme le plastique « Lego ». Ce matériau est très utilisé en impression 3D pour sa résistance, sa flexibilité, son usinabilité et son prix. Un prototype ABS peut posséder jusqu’à 80 % de la résistance d’une pièce moulée par injection, convenant parfaitement aux applications fonctionnelles. Une gamme d’ABS est disponible en impression 3D : 

  • L’ABSi est un type d'ABS à haute résistance aux chocs. Le matériau semi-translucide est approuvé « USP classe VI » et présente un bon mélange de propriétés mécaniques et esthétiques. (Les normes de tests de classe USP sont déterminées par la Pharmacopée des États-Unis et le National Formulary USP-NF, l’organisation responsable de la qualité et de la sécurité des dispositifs médicaux et des aliments. Les tests en classe sont fréquemment menés sur des matières plastiques qui entrent en contact avec des drogues injectables et d’autres fluides trouvés à diverses étapes du processus de fabrication de drogues).
     
  • L’ABS-M30 est 25 à 75 % plus résistant que le matériau ABS standard. La surface des pièces est également plus lisse, avec des détails plus fins. L’ABS-M30 est aussi un matériau biocompatible ISO 10993, norme relative à « l’évaluation biologique des dispositifs médicaux ». Ces propriétés en font un matériau très approprié pour les industries de l’emballage médical et des secteurs pharmaceutique et alimentaire. Il est également utilisé pour des applications spécifiques comme les prototypes fonctionnels, les gabarits, les fixations, la fabrication d’outils et de pièces de production. Il est stérilisable par rayonnement gamma ou par des méthodes de stérilisation à l’oxyde d’éthylène (EtO).
     
  • L’ABS-ESD7 est un matériau dissipatif durable et électrostatique adapté aux produits électroniques, aux équipements industriels ainsi qu’aux gabarits et accessoires pour l’assemblage de composants électroniques.
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Architectural concept model 3D printed in ABS-M30 (Courtesy of Stratasys)_01

 Figure 5 : Modèle de concept architectural imprimé en 3D en ABS-M30

Le PLA (polylactide ou acide polylactique) est un thermoplastique créé à partir de la transformation de produits végétaux comme le maïs, les pommes de terre ou les betteraves à sucre. Ce matériau est à la fois léger et solide. Il est disponible en différentes couleurs. Il offre également des vitesses d’impression élevées, des hauteurs de couche inférieures et des coins imprimés plus nets. Ce plastique est très populaire chez les particuliers, les imprimeurs amateurs et dans les écoles.

Le PC (polycarbonate) nécessite une imprimante équipée d’une buse haute température. Ce matériau de bonne précision, durable et stable pour imprimer des pièces solides, est un thermoplastique très utilisé chez les industriels. Il possède des propriétés mécaniques et de bonnes résistances à la chaleur et à la traction :

  • Le PC-ABS est un mélange de polycarbonate et de plastique ABS. Il combine la force du PC avec la flexibilité de l’ABS. Ce matériau possède des propriétés mécaniques et une résistance à la chaleur supérieures au PC classique, une résistance aux chocs élevée et une finition de surface proche de celle de l’ABS.
     
  • Le PC-ISO est un plastique d’ingénierie solide et résistant à la chaleur, couramment utilisé dans la fabrication de dispositifs médicaux, ainsi que pour les emballages alimentaires et pharmaceutiques. Il est biocompatible et il peut être stérilisé par rayon gamma et EtO. Il est également conforme à la norme ISO 10993 et ​​USP classe VI, d’où il tire son nom : un matériau en polycarbonate certifié ISO.
    L’ULTEM 9085 est un mélange de polyétherimide haute performance qui offre une excellente résistance, une excellente stabilité thermique et ignifuge (homologué UL 94-V0). L’ULTEM 9085 est un matériau idéal pour le prototypage fonctionnel et l’impression finale de pièces pour les industries aéronautique et spatiale, ainsi que pour des applications de niche. Il présente un très bon rapport résistance / poids et une température de déviation thermique élevée (160 ° C).

Le polyphénylsulfone (PPSU) est un thermoplastique possédant les résistances thermique et chimique les plus élevées de tous les matériaux de la technologie d’extrusion. Il est idéal pour les environnements caustiques nécessitant une résistance élevée à la chaleur. Il est également stérilisable et solide, ce qui permet d’utiliser ce polymère dans les industries médicales et alimentaires.

Le PA (polyamide) est le polymère le plus couramment utilisé dans de nombreuses technologies comme la fusion sur lit de poudre, le frittage sélectif par laser (SLS) ou encore la projection de liant. Le nylon est un polyamide synthétique. 

Le PVA (alcool polyvinylique) est utilisé comme matériau de support soluble ou pour des applications spéciales.

Le SOFT PLA (acide polylactique) est caoutchouteux et flexible, disponible en couleur.

Le TPU (polyuréthane thermoplastique) est un polymère performant. Il offre ténacité, résistance et élasticité, en particulier le TPU 92A-1.

Économie circulaire, durabilité et fabrication additive

Ces dernières années, les plastiques n’ont pas bonne presse. La pollution d’objets en plastique est devenue l’un des problèmes environnementaux les plus importants. La Commission européenne a d’ailleurs placé le concept d’« économie circulaire » en tête de son agenda. L’économie circulaire « vise à maintenir la valeur des produits, des matériaux et des ressources le plus longtemps possible en les replaçant dans le cycle des produits à la fin de leur utilisation, tout en minimisant la production de déchets ». Ce processus débute dès la conception d’un produit, dans un design intelligent ou encore dans le choix des processus de production. Il « peut aider à économiser des ressources, éviter une gestion inefficace des déchets et créer de nouvelles opportunités commerciales ». La fabrication additive trouve sa place dans l’économie circulaire voulue par la Commission européenne. Elle offre des opportunités durables, notamment en termes de réduction du CO2, conséquence directe de chaînes d’approvisionnement plus efficaces, basées sur une production localisée.

Plusieurs projets de recherche et développement (R&D) se penchent sur la question du développement durable de plastique pour l’impression 3D. ValueBioMat est un projet financé par le Strategic Research Council (SRC) de l’Académie de Finlande, qui vise à créer des biomatériaux pour l’impression 3D. Développés en laboratoire, ceux-ci ont pour finalité de remplacer les matériaux traditionnels à base d’énergies fossiles, d’améliorer la durabilité des produits manufacturés et de produire des pièces aux propriétés supérieures en utilisant des fibres naturelles. « Les biomatériaux, tels que le nylon, provenant de matières premières entièrement renouvelables, seront utilisés pour fabriquer des pièces par dépôt de matière ou par fusion sur lit de poudre. Des composants de résines et de charges biologiques, telles que la lignine et la farine de bois, seront utilisés pour créer de grandes pièces qui, jusqu’à maintenant, n’étaient pas réalisables en impression 3D. » Le projet étudie également l’impression 3D sans couche pour créer des pièces orientées de manière optimale avec des fibres continues. De son côté, le projet Novum évalue les opportunités d’utilisation de matériaux à base de cellulose pour la fabrication additive et leur impact positif sur l’environnement. L’Université de Cranfield et la Fondation Ellen MacArthur ont également réalisé un projet sur la « faisabilité de la réutilisation des déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) pour l’impression 3D ». La société Nature Works a placé son énergie dans les « polymères durables » (c’est-à-dire le plastique réalisé à partir de matières végétales renouvelables plutôt que de sources fossiles), avec sa gamme de matériaux performants à base d’acide polylactique (PLA), appelés « Ingeo ». 

Le recyclage est un autre élément important du développement durable et un enjeu fondamental pour la Commission européenne. Plusieurs filaments issus du recyclage sont disponibles, comme ceux de Kimya, filiale impression 3D d’Armor (voir encadré), ou encore de GreenGate3D, une société américaine fondée en 2018). 

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Figure 6 : Principaux fournisseurs de polymères

Contenu Encadré

Kimya, née d’une politique de développement durable

L'activité impression 3D du groupe français Armor, est née d’une politique de développement durable, plus exactement du souhait de recycler ses propres cartouches jet d’encre. Il y a cinq ans, lorsque le groupe Armor a décidé de recycler ses propres déchets, il a eu l’idée de les transformer en filaments pour l’impression 3D. D’abord commercialisé sous le nom d'OWA, le produit est devenu Kimya. Rapidement, Armor 3D, activité impression 3D du groupe Armor, a proposé des matériaux techniques pour les industriels. Aujourd’hui, la gamme de filaments Kimya éco-conçus continue de s’agrandir avec les matériaux TPU-R ou HIPS-R, récemment lancés, et qui rejoignent le PLA-R. Un matériau PLA avec du lin est aussi en cours de développement. 

Depuis peu, l’entreprise française teste la mise en place d’un programme de collecte des déchets, le Programme « Kimya Kollecte ». Le groupe français souhaite mettre en place un système de récupération des bobines vides, des chutes de filaments et des produits imprimés inutilisés auprès des industriels dans le but de les recycler. Il s’est également engagé avec L’Oréal pour concevoir des filaments à partir de ses bouteilles recyclées de shampoing, ou encore avec Évian pour revaloriser les bouchons plastiques. 

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