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A la découverte des matériaux d’impression 3D : Les plastiques

Publié le 26 février 2018 par Susana SANCHEZ RESTREPO
plastiques 3D

Quand on commence à utiliser les technologies d’impression 3D, il est important de savoir avec quel matériau on souhaite travailler et quelles caractéristiques on veut donner à l’objet créé. Choisir le bon matériau d’impression peut s’avérer être plus compliqué qu’on ne le pense, notamment en ce qui concerne les plastiques.

Les plastiques sont les matériaux d’impression 3D les plus communs mais que savons-nous réellement à leur sujet? Quelles différences existe-il entre chacun de ces plastiques? Chaque technologie de 3D est basée sur différents types de matériaux : le dépôt de matière fondue repose sur l’utilisation de filaments, la stéréolithographie emploie des résines photopolymères liquides et le frittage laser nécessite des poudres thermoplastiques.

plastiques en impression 3D

Afin de mieux comprendre le monde des plastiques en impression 3D, 3Dnatives a préparé un guide complet pour vous aider à appréhender chaque matériau, en sachant qu’il en existe bien évidemment d’autres comme le métal ou encore des matériaux organiques.

Les plastiques en impression 3D – FDM/FFF

Les technologies de dépôt de matière fondue sont les plus connues pour utiliser des matériaux plastiques. Ils se présentent sous la forme d’une bobine de filament qui est placée sur l’imprimante 3D. Il existe de nombreuses variétés de plastiques avec différentes caractéristiques pour chaque projet.

ABS

C’est le matériau phare des briques de Lego, très utilisé aussi dans la carrosserie des voitures, les appareils électroménagers et dans de nombreuses applications de capotage. Le plastique ABS, c’est-à-dire l’acrylonitrile butadiène styrène, est le plastique le plus utilisé de l’industrie. Il appartient à la famille des thermoplastiques ou plastiques thermiques et possède une base d’élastomères à base du polybutadiène qui le rend plus souple et résistant aux chocs.

L’ABS a une température d’impression comprise entre 230°C et 260°C et peut supporter des températures très basses (-20°C) et très élevées (80°C). En plus de sa bonne résistance, ce matériau permet d’obtenir une surface polie, est réutilisable et peut être soudé par procédés chimiques (en utilisant l’acétone). Cependant, il n’est pas biodégradable et rétrécit au contact de l’air, raison pour laquelle  la plateforme d’impression est chauffée afin d’éviter le décollement des pièces.

plastiques en impression 3D

Pièces imprimées en 3D à partir d’ABS

Nous vous recommandons de l’utiliser sur une imprimante 3D à enceinte fermée pour limiter les émissions de particules qui peuvent être libérées pendant l’impression.

L’ABS est employé principalement dans la technique de dépôt de matière fondue (FDM) et, en conséquence, il est disponible avec la plupart des imprimantes maisons. En outre, un dérivé de l’ABS, sous forme liquide, est utilisé dans les procédés SLA et PolyJet.

PLA

L’acide polylactique ou PLA, contrairement à l’ABS, est biodégradable car il est fabriqué à partir de matières renouvelables (amidon de maïs). L’une de ses caractéristiques principales est son faible rétrécissement à l’impression 3D, raison pour laquelle des plateaux chauffants ne sont pas nécessaires lors de l’impression.  Les températures d’impression ne doivent pas être très élevées, comprises entre 190°C et 230°C.

Le PLA est plus difficile à manipuler du fait de sa vitesse élevée de refroidissement et de durcissement. Il peut également s’abîmer et se déteindre au contact de l’eau. Toutefois, ce matériau généralement translucide est utilisé par la plupart des imprimantes 3D FDM et se décline en une variété de couleurs.

plastiques en impression 3D

Des pièces imprimées en 3D avec du PLA

ASA

Techniquement connu sous le nom d’Acrylonitrile styrène acrylate, ce matériau possède des propriétés similaires à l’ABS avec toutefois une meilleures résistances aux rayons UV. On peut quand même avoir quelques complications pendant l’impression, c’est pour cela qu’il est recommandé d’avoir un plateau chauffant. Les paramètres d’impression sont très semblables à ceux utilisés avec de l’ABS – dans le cas de l’ASA, il faut bien faire attention à utiliser des imprimantes 3D avec une enceinte fermée ou effectuer l’impression dans un espace ouvert à cause des émissions de styrène.

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PET

Le polytéréphtalate d’éthylène, plus connu sous le nom de PET, se trouve principalement dans les bouteilles en plastique jetables. C’est un filament idéal pour des pièces destinées au contact alimentaire, semi-rigide et offrant une bonne résistance. Pour obtenir les meilleurs résultats d’impression, il est nécessaire d’atteindre des températures de 75°C à 90°C. Le plus souvent commercialisé sous la forme d’un filament translucide, il existe différentes variantes comme le PETG, PETE et PETT. C’est un filament qui n’émet aucune odeur pendant l’impression et qui est 100% recyclable.

plastiques en impression 3D

PC ou Polycarbonate

Le polycarbonate (PC) est un matériau très résistant conçu pour des applications d’ingénierie. Ce matériau est capable de supporter de hautes températures jusqu’à 150°C sans se déformer. Le polycarbonate est susceptible d’absorber l’humidité de l’air, ce qui peut affecter ses performances et sa résistance à l’impression. Par conséquent, il doit être conservé dans des boîtes hermétiques.

Des températures très élevées sont nécessaires pour l’impression : une température trop basse ou un refroidissement trop excessif peut entraîner une séparation des couches d’impression. Les filaments de polycarbonate qui existent actuellement contiennent des additifs qui permettent d’imprimer le filament à des températures plus basses.

plastiques en impression 3D

L’impression 3D de polycarbonate

Les thermoplastiques hautes performances

L’évolution des technologies d’impression 3D a entrainé avec elle un large travail de recherche sur les matériaux d’impression, permettant de développer toute une gamme de filaments hautes performances qui présentent des caractéristiques mécaniques similaires aux métaux. Il existe plusieurs types de matériaux hautes performances comme le PEEK, le PEKK ou encore l’ULTEM – on les distingue par famille comme celle des polyaryléthercétones (PAEK) ou encore des polyétherimides (PEI). Ces filaments possèdent une résistance mécanique et thermique très élevées, sont très solides tout en étant beaucoup plus légers que certains métaux. Ces propriétés les rendent très attrayants dans les secteurs de l’aéronautique, de l’automobile ou encore du médical.

Etant donné leurs caractéristiques, les thermoplastiques hautes performances ne peuvent pas s’imprimer sur toutes les machines FDM du marché. Il faut en effet que l’imprimante 3D possède un plateau chauffant capable d’atteindre au minimum les 230°C, une extrusion à 350°C et une enceinte fermée. Aujourd’hui, environ 65% de ces matériaux sont imprimés avec la technologie FDM, mais on les retrouve aussi sous forme de poudres, compatibles avec la technologie SLS.

plastiques en impression 3D

Crédits photo : Vision Miner

Matériaux flexibles

De nombreux types de filaments sont aujourd’hui commercialisés et l’un des plus grands succès concerne les filaments souples. Ils sont similaires au PLA mais fabriqués à base de TPE ou TPU. L’avantage de ces filaments est qu’ils permettent de développer des objets déformables, très utilisés dans l’industrie de la mode comme dans la collection de Danit Peleg.

En général, ils possèdent les mêmes caractéristiques d’impression que le PLA et peuvent avoir différents degrés de rigidité. Il est recommandé de vérifier que l’extrudeur soit bien adéquat pour éviter le bourrage de la machine.

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Les matériaux souples sont utilisés dans l’industrie de la mode

Les fibres de carbone

Les filaments qui intègrent des fibres de carbone sont de plus en plus prisés par l’industrie 3D d’autant plus que des imprimantes 3D spécialisées sur ce matériau se développent sur le marché, comme celle de Markforged. Son succès réside dans sa très grande résistance, tout en offrant un poids de la pièce finale inférieure à ceux des autres matériaux.

Les filaments ayant ces caractéristique comprennent de petites fibres de carbone dans un matériau de base qui peut être du PLA, PETG, Nylon, ABS ou polycarbonate, améliorant alors les propriétés de chacun. Les paramètres d’impression sont généralement ceux du matériau de base bien qu’il soit important d’avoir une machine adéquate car les fibres de carbone peuvent provoquer le blocage de la buse d’impression.

plastiques en impression 3D

La fibre de carbone offre une meilleure résistance

Les matériaux hybrides

Il existe différents types de matériaux qui mélangent une base comme du PLA avec une poudre qui leur donne une couleur ou une finition différente que celle obtenue traditionnellement ; ce sont des filaments généralement composés de 70% de PLA et de 30% du matériau hybride. Sur le marché, on retrouve aujourd’hui des filaments à base de bambou, de liège, de bois, etc. La présence de ces matériaux offre une texture finale plus organique au filament.

Bien qu’il existe des machines qui utilisent la base de la technologie FDM pour extruder du métal, comme les nouvelles imprimantes de Desktop Metal, c’est une technologie qui n’est pas encore accessible à tous. L’entreprise Colorfabb a donc lancé son filament 3D de métal. Il possède la même base que les filaments créés avec du bois mais dans ce cas, ce sont des poudres métalliques qui sont utilisées. Cela donne aux objets imprimés en 3D une couleur différentes selon le métal choisi : cuivre, bronze, argent, etc.

Enfin, parmi les matériaux hybrides, on retrouve des filaments qui mélange des matériaux rocheux comme le ciment, la brique ou le sable. Ils offrent une texture complètement différentes pour chacun des modèles.

plastiques en impression 3D

Les matériaux hybrides changent la texture de l’objet final

Les matériaux solubles

Les plastiques solubles peuvent être utilisés pour imprimer des supports d’impression – en fonction de la complexité et de la technologie utilisée pour la pièce désirée – qui seront par la suite dissous. Les plastiques solubles les plus employés actuellement sont le HIPS(Polystyrène Haut Impact) et le PVA (Alcool Polyvinylique) que l’on peut dissoudre avec du limonène et de l’eau respectivement. Il existe aussi les filaments BVOH ou copolymère de butanediol et d’alcool vinylique, très appréciés dans l’impression 3D à double extrusion pour être un support soluble dans l’eau; selon les experts il a une meilleure solubilité que le PVA et est compatible avec plusieurs matériaux .

plastiques en impression 3D

Les supports d’impression 3D sont dissous

Les plastiques en impression 3D – SLA

Pour des technologies telles que SLA, DLP ou même PolyJet, des résines photosensibles liquides sont utilisées pour l’impression. Celles-ci peuvent être divisées en thermoplastiques et thermo-solides. En fonction de ce que nous choisissons, ils permettent aux objets imprimés d’avoir une finition mate ou brillante. Parmi ces résines, la plupart sont des plastiques évoqués ci-dessus, mais sous forme liquide.

La gamme de couleurs de ces technologies n’est pas très variée, on retrouve généralement du blanc, noir, transparent, rouge, bien que certains développements récents comme les nouvelles résines Formlabs promettent d’étendre largement cette gamme. Ce qui différencie ces matériaux de ceux des technologies FDM, c’est qu’il n’est pas possible de mélanger des résines pour obtenir des résultats différents. Par conséquent, il n’y a pas de « machines doubles », comme les doubles extrudeurs; la seule imprimante que nous connaissons est la machine hybride Layer One qui combinerait la technologie SLA et la FDM. L’utilisation de résines en impression 3D implique un processus de post-traitement : il est nécessaire de nettoyer les pièces à l’alcool isopropylique pour obtenir de meilleurs résultats.

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Un bac de résine

Il existe différents types de résines qui sont plus techniques, parmi lesquelles on retrouve les résines solides qui sont les plus populaires; les résines flexibles qui offrent une plus grande déformation des modèles; les castables qui sont très utilisées dans la fabrication de bijoux; les biocompatibles qui se concentrent particulièrement sur le secteur dentaire et le développement de prothèses dentaires.

Les plastiques en impression 3D – SLS

La technologie de frittage sélectif laser utilise des poudres plastiques pour fabriquer des pièces grâce à un laser qui vient fusionner les particules, couche par couche. On retrouve une variété de matériaux différents qui permettent aux objets fabriqués d’avoir différentes caractéristiques en termes de résistance, flexibilité ou texture.

Les polyamides

Les objets en polyamides sont souvent fabriqués à partir d’une poudre fine, granuleuse et blanche en utilisant la technologie du frittage sélectif par laser (SLS), mais certaines familles de ce matériau, comme le nylon, se présentent sous la forme d’un filament et s’utilisent avec la technique de dépôt de matière fondue (FDM).

Grâce à leur bio-compatibilité, comme le PLA, les polyamides peuvent être utilisés pour des pièces en contact avec les aliments (sauf  ceux contenant de l’alcool), et contrairement au PLA et à l’ABS, des surfaces plus lisses sans effet ondulé sont obtenues.

plastiques en impression 3D

Une pièce imprimée en 3D en polyamide

Etant constitué des structures semi-cristallines, ce matériau présente un bon compromis entre caractéristiques mécaniques et chimiques, d’où sa stabilité, rigidité, flexibilité et sa résistance aux chocs. Ces avantages donnent lieu à une large gamme d’applications et un grand niveau de détail. Une qualité supérieure utilisée, par exemple pour la fabrication d’engrenages, des pièces pour l’aérospatiale, l’automobile, la robotique, des prothèses médicales ou des moules pour l’injection.

Alumide®

Les objets en alumide sont fabriqués à partir d’une combinaison entre polyamide et aluminium en poudre en utilisant la technologie de frittage sélectif par laser (SLS). Avec une surface légèrement poreuse et d’un aspect sableux et granuleux, ce matériau offre une grande solidité, une haute résistance à la température (172 ºC max.) et aux chocs et une relative flexibilité. Cependant, des post-traitements sont généralement nécessaires: meulage, polissage, revêtement et fraisage par exemple.

L’alumide est utilisé pour des modèles complexes, pièces de conception ou pour des petites séries de modèles fonctionnels, ayant besoin d’une rigidité importante et d’un aspect proche de l’aluminium. La technique employée implique des limites géométriques faibles.

plastiques en impression 3D

Une pièce en alumide

PP ou Polypropylène

Un autre thermoplastique très utilisé en automobile, pour les emballages, les vêtements professionnels jetables, et dans la fabrication d’une centaine d’objets du quotidien. Le polypropylène (PP) est connu pour sa résistance à l’abrasion et sa capacité à absorber les chocs, en plus d’une relative rigidité et flexibilité.

Un des inconvénients est sa faible résistance aux températures et sa sensibilité au rayonnement UV, raison pour laquelle plusieurs fabricants d’imprimantes ont développé des dérivés de ce matériau, les simili-polypropylènes, afin de renforcer ses propriétés physiques et mécaniques.

plastiques en impression 3D

Et vous, quel plastique d’impression 3D utilisez-vous? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article ou avec les membres du forum 3Dnatives.

Les 19 commentaires

Rejoignez la discussion et laissez votre commentaire.

  1. Yves dit :

    Article très intéressant. Je vais de ce clique, voir la deuxième partie ! 🙂

  2. Wilcobox dit :

    Excellent article.
    Merci beaucoup!

  3. Sebastien dit :

    Merci pour cet article très instructif. Cependant vous ne faites pas mention du plastique PET, que l’on trouve également en bobine. Il serait intéressant de faire un topo sur ce type de plastique également utilisé par certaines machines 3D.

  4. Stéphane V dit :

    Très bon article, je confirme que l’ajout des PET serait un plus 😉

  5. Noretta Esteban dit :

    Bonjour,
    Pourquoi avoir différencié le nylon du polyamide? Le nylon est le nom usuel du polyamide, il n’y a donc pas d’intérêt de les différencier.

    1. Tato San dit :

      Le Nylon est UN polyamide, mais la famille est grande 😉

  6. Shirley FRANCOIS dit :

    Bonjour,

    Pensez vous qu’une imprimante 3D peut être utilisée pour des accessoires à placer sur des gâteaux type personnages de dessin animé, lettres etc… Si oui, quel matériel serait optimal.

  7. Jay Derpenson dit :

    Quelle est la finesse de détail d’une imprimante moyenne actuelle ?
    peut on faire un design contenant un pas de visse fin ?

    1. SLCD dit :

      Jay, pour les pas de vis, imho il est plus intéressant de prévoir une sur-épaisseur et de tarauder ensuite, ce qui donnera une qualité bien meilleure

  8. Hélène Babiak dit :

    Bonjour, j’aimerais savoir comment calculer le coût pour imprimer un sujet que l’on a réalisé sur ordi? Donc un objet imaginé, dessiné sur un logiciel et que l’on veut matérialiser. Est-ce que ma question est claire? 😉

    1. SLCD dit :

      Salut ! Le coût de l’impression 3D se calcule facilement. Une fois que vous avez modélisé votre pièce sur votre logiciel de conception, vous pouvez obtenir sa densité et la multiplier par le coût du matériau utilisé. Bien sur cette technique ne prend pas en compte la consommation électrique du printer =)

  9. Zena dit :

    Bonjour,
    Je voudrais fabriquer des guides-langue (tiges avec embouts de différentes formes pour aider la langue à articuler certains sons) : il me faut un matériau non toxique, mais également possible à stériliser (matériel non invasif = une stérilisation simple, type tétine de biberon, suffit), il faut donc aussi un matériau qui supporte la chaleur. Que me conseilleriez-vous? On peut aussi envisager un matériau qui supporte une stérilisation chimique.

    1. Stef dit :

      Le Frittage de poudre polyamide sert à faire des prothèses (orthèses dentaires) pour les personnes souffrant d’apnée du sommeil (prothèse que l’on met dans la bouche avant de dormir) à voir.
      La température de fusion est aux alentours de 178° et le ramollissement, de 100° (je crois). A voir…

  10. Renaud Biemans dit :

    Bonjour, Merci pour ce super articles. Je cherche à réaliser des objets antichoc avec des caractéristique proche du caoutchouc. Il telle matière existe-t-elle pour les imprimantes 3D ?

  11. frog dit :

    Bonjour,

    depuis 2 ans maintenant, j’utilise avec succès 2 matériaux qui ne sont pas du tout évoqués dans l’article. Le PET pour ses très bonnes propriétés mécaniques (bien meilleures que l’ABS et le PLA) et sa facilité d’impression (pas de wrapping) et le PU pour les pièces flexibles qui devrait être pouvoir se substituer au caoutchouc.

    1. Laurent Beaumont dit :

      bonjour,
      quelle machine utilisez vous ? vous parlez de pet , vous utilisez une extrudeuse ou vous achetez le PET directement ? d’avance merci !

  12. Florian Chappot dit :

    Bonjour,
    Merci pour votre article. Est-il possible d’obtenir les caractéristiques mécaniques des différents matériaux que vous présentez (dureté, module d’élasticité, résistance à la traction,…). D’ores et déjà merci pour votre retour.
    FC

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