Quels sont les filaments les plus résistants pour l’impression 3D ?

Lorsqu’il s’agit de fabriquer des pièces solides, l’un des choix les plus cruciaux concerne le matériau utilisé. Bien que le processus d’impression joue un rôle important, c’est avant tout le matériau qui détermine de nombreuses caractéristiques du composant final. Comment savoir lequel choisir ? Quels sont les matériaux d’impression 3D les plus résistants ?

Tout d’abord, il est essentiel de définir ce qu’est réellement la résistance. Souvent confondue avec la durabilité, ces deux notions ne sont pourtant pas identiques. La résistance des matériaux est définie comme « la capacité d’un matériau à supporter des forces mécaniques lorsqu’il est en utilisation ». Cela englobe plusieurs facteurs tels que la résistance à la traction, la déformation et la fissuration.

Airwolf3D effectue un test de résistance à la traction. (crédits photo : Airwolf3D)

Il existe de nombreuses manières d’évaluer la résistance d’un matériau, notamment la dureté, la résistance aux chocs, la résistance à la compression, la limite d’élasticité, la résistance à la fatigue et la résistance à la flexion. Cependant, l’une des mesures les plus courantes est la résistance à la traction ultime. Celle-ci correspond à la charge maximale qu’un matériau peut supporter sans se fracturer lorsqu’il est soumis à une force de traction. En d’autres termes, c’est la force nécessaire pour étirer ou rompre définitivement un matériau.

C’est sur cet aspect que nous nous concentrerons ici. Nous analyserons la résistance de différents matériaux d’impression 3D, en particulier les filaments polymères utilisés pour le dépôt de filament fondu (FDM), l’une des technologies d’impression 3D les plus populaires. La résistance à la traction sera exprimée en MPa (mégapascal), l’unité de pression du Système international d’unités (SI), qui correspond à un newton par mètre carré, ainsi qu’en psi (livres par pouce carré), une unité plus couramment utilisée dans le système anglo-saxon. La liste suivante est organisée en fonction de trois catégories : les matériaux standards, les matériaux techniques et les matériaux composites.

Il est également important de noter que certains des matériaux ayant la plus grande résistance à la traction sont en réalité des matériaux flexibles, comme le TPU. Ces derniers ne sont pas inclus ici, mais cela reste un sujet ouvert au débat. De plus, les propriétés mécaniques d’une pièce imprimée ne dépendent pas uniquement du matériau, mais aussi des conditions d’impression, notamment la machine utilisée, les paramètres et l’environnement. Ces chiffres servent donc principalement de guide pour comparer la résistance relative entre différents matériaux.

Matériaux standards : moins résistants, mais plus abordables

De manière générale, les matériaux standards ne sont pas les filaments les plus résistants pour l’impression 3D, car ils possèdent des propriétés mécaniques plus faibles. Cependant, cela ne signifie pas que certains ne se démarquent pas par une résistance supérieure aux autres. Parmi les matériaux standards, certains, bien qu’ils ne soient pas comparables aux polymères techniques ou haute performance, affichent néanmoins une résistance à la traction relativement élevée.

Prenons l’exemple du PLA. Ce matériau est souvent perçu comme l’un des plus fragiles, notamment à cause de sa sensibilité aux rayons UV, mais il possède pourtant une résistance à la traction relativement élevée. Celle-ci varie entre 53 MPa et 59 MPa (soit environ 7800 – 8250 psi). Comparons-le à l’ABS, souvent considéré comme un matériau robuste : ce dernier a une résistance à la traction de 34 – 36 MPa (environ 4600 psi).

Résistance à la traction de certains matériaux courants comme l’ABS, le PLA et le PETG. (crédits photo : BCN3D)

Cependant, cette comparaison ne prend pas en compte la résistance à la flexion ni la durabilité, deux domaines où l’ABS excelle. Le PLA est relativement cassant et possède une faible résistance aux chocs ainsi qu’une faible résistance thermique, avec une température de transition vitreuse d’environ 60 °C. L’ABS, quant à lui, se distingue par sa ductilité et sa meilleure résistance thermique, ce qui le rend plus adapté aux pièces soumises à des contraintes mécaniques.

Le PETG, en revanche, combine les avantages des deux matériaux. Avec une résistance à la traction comprise entre 38 – 44 MPa (5511 – 6380 psi) et une résistance à la flexion élevée (75 – 59 MPa), il se montre plus résistant que l’ABS, bien que moins performant que le PLA en termes de rigidité. Il est également plus facile à imprimer que l’ABS, ce qui en fait un bon compromis.

Matériaux d’ingénierie et de haute performance : les filaments les plus résistants

Les matériaux techniques, conçus pour être plus robustes et adaptés aux applications industrielles, comptent parmi les filaments les plus résistants en impression 3D. Certains polymères haute performance (HPP) surpassent même les matériaux techniques en termes de résistance et sont parfois utilisés en remplacement du métal.

Polycabonate (PC)

Le polycarbonate est l’un des filaments les plus solides parmi les matériaux techniques, grâce à sa haute résistance à la traction (60-70 MPa), son excellente résistance aux chocs et sa robustesse thermique. Cependant, il est plus difficile à imprimer en raison de sa forte tendance à se déformer.

Une pièce fabriquée avec l’impression 3D FDM en PC (crédits photo : MatterHackers)

Nylon

Le nylon, ou polyamide, est également réputé pour sa résistance, bien que celle-ci varie selon la composition chimique, qui dépend du nombre d’atomes de carbone présents dans la chaîne moléculaire. En impression 3D, on utilise principalement les types PA6, PA11 et PA12, les deux derniers étant souvent traités avec la technologie SLS. Le PA6 est couramment employé sous forme de filament, bien que le PA11 et le PA12 existent aussi sous cette forme, parfois même sous forme de composites.

Ces trois polyamides offrent une excellente résistance aux chocs, tout en étant solides et semi-flexibles. Parmi elles, le PA6 est le plus apprécié pour les applications nécessitant une haute résistance mécanique, avec une résistance à la rupture située entre 50 et 90 MPa (7250 – 13100 psi). Ce chiffre peut varier, bien sûr, mais le fabricant Ensinger Plastics indique que le PA6 a une résistance à la rupture d’environ 79 MPa, tandis que le PA11 se situe autour de 52 MPa et le PA12 aux environs de 53 MPa.

Toutes ces polyamides sont reconnus pour leur grande résistance aux chocs, à l’usure et à la chaleur. Si l’on compare leurs caractéristiques, le PA12 peut être considéré comme un matériau « polyvalent », combinant le meilleur des deux autres, tandis que le PA11 se distingue par sa flexibilité. De plus, ces deux derniers sont plus faciles à imprimer que le PA6.

PEEK

Le polyétheréthercétone (PEEK) fait partie de la catégorie des polymères à hautes performances (HPP), réputés pour leurs propriétés mécaniques exceptionnelles et leur résistance supérieure, à tel point qu’ils sont parfois comparés aux métaux. En termes de résistance à la rupture, le PEEK dépasse même certains polymères techniques, avec une valeur typique située entre 90 et 100 MPa (13053 – 14504 psi). Sous forme de filament, il peut atteindre 110 MPa (15954 psi), dépassant ainsi certaines alliages non ferreux.

Outre ses excellentes propriétés mécaniques (résistance à la traction, flexion, dureté, impact), le PEEK offre aussi une très grande résistance chimique. Cette combinaison de caractéristiques le rend idéal pour des applications exigeantes, notamment dans les secteurs aérospatial, automobile, pétrolier, gazier et médical.

Filament PEEK (crédits photo : 3D4Makers)

PEKK

Un autre polymère à haute performance souvent utilisé en impression 3D industrielle est le PEKK. Issu de la même famille PAEK que le PEEK, le polyéthercétonecétone (PEKK) diffère en plusieurs points, mais sa résistance mécanique exceptionnelle demeure similaire. Par exemple, un fil de Lynxter affiche une résistance à la rupture de 105 MPa (15229 psi) et une résistance à la flexion de 95 MPa (13778 psi), soit des valeurs proches du PEEK.

Là où le PEKK se démarque, c’est par sa meilleure adhésion entre couches, due à une vitesse de cristallisation plus faible. Cela permet une meilleure résistance à la traction dans tous les axes par rapport au PEEK. De plus, tout comme ce dernier, il possède une excellente résistance chimique et thermique, ainsi qu’une meilleure résistance à la flexion.

ULTEM (PEI)

Dans la catégorie des polymères à haute performance (HPP), on retrouve également le PEI, plus connu sous son nom de marque ULTEM. Ce filament offre lui aussi une grande résistance à la traction, bien que celle-ci varie selon la version utilisée.

L’ULTEM 9085 est particulièrement apprécié pour sa résistance élevée, avec une valeur autour de 70 MPa (10153 psi), mais qui peut, comme le PEKK et le PEEK, atteindre jusqu’à 110 MPa selon le filament.

Un autre atout majeur du ULTEM est sa résistance thermique exceptionnelle, pouvant atteindre 180°C, ainsi qu’une forte résistance aux impacts et un excellent rapport résistance/poids. Cependant, comme les autres polymères HPP, il est difficile à imprimer et coûte très cher, ce qui limite son utilisation aux applications industrielles.

Matériaux composites : renforcer la résistance des polymères

Les matériaux composites combinent plusieurs composants pour améliorer leur résistance mécanique, la rigidité, la résistance thermique et la durabilité. Trois types de fibres sont particulièrement utilisés :

Fibre de carbone (CF)

La fibre de carbone est la plus forte et la plus coûteuse des fibres composites. En impression 3D, son résultat final dépend de nombreux facteurs, comme la position des fibres, leur densité et la matrice polymérique utilisée.

Certaines sources estiment que la fibre de carbone pure possède une résistance à la traction d’environ 4137 MPa (600 000 psi). Bien sûr, cette valeur n’est pas entièrement transférée dans les filaments composites, mais l’ajout de fibre de carbone permet généralement d’augmenter la résistance d’un matériau d’environ 40 %.

Pièces imprimées en 3D renforcées en fibre de carbone (crédits photo : Anisoprint)

Fibre de verre

La fibre de verre est l’un des composites les plus couramment utilisés en impression 3D FDM. Comme les autres fibres, elle améliore les propriétés mécaniques des pièces imprimées, notamment leur flexibilité et leur résistance aux dommages.

Cependant, elle n’est pas aussi résistante que la fibre de carbone. À l’état pur, la fibre de verre présente une résistance à la rupture d’environ 3450 MPa (500 380 psi). L’impact de cette valeur sur le filament final dépend des caractéristiques du matériau composite.

Kevlar (Aramide)

Le Kevlar est surtout connu pour ses capacités exceptionnelles d’absorption des chocs. Sa résistance à la traction se situe entre celle de la fibre de verre et de la fibre de carbone. Avec une densité plus faible que ces deux autres fibres, le Kevlar est un excellent choix lorsque le poids, la résistance et la rigidité sont des critères essentiels. De plus, il offre une bonne résistance aux dommages, à la fatigue et aux déformations. Cependant, il est le plus faible des trois, avec une résistance à la rupture d’environ 2757 MPa (399 869 psi), inférieure à celle de la fibre de carbone et de la fibre de verre.

D’après vous, quel est le filament d’impression 3D le plus résistant ? N’hésitez pas à partager votre avis dans les commentaires de l’article. Retrouvez toutes nos vidéos sur notre chaîne YouTube ou suivez-nous sur Facebook ou LinkedIn !