8 raisons d’utiliser des polymères hautes performances en fabrication additive

Les polymères hautes performances (ou HPP selon l’acronyme anglais) sont utilisés depuis plusieurs décennies dans l’industrie, notamment dans le moulage par injection ou l’usinage. Cependant, ces dernières années, ils ont cessé d’être des matériaux exclusifs à l’ingénierie traditionnelle et ont fait leur apparition dans la fabrication additive. Ce type de polymères se caractérise par des propriétés supérieures à celles des polymères conventionnels. Nous parlons ici d’une plus grande solidité, d’une meilleure résistance à l’usure et d’une plus grande durabilité. Parmi les HPP les plus utilisés dans les processus additifs, on trouve la famille des polyaryléthercétones (PAEK), qui comprend le PEEK et le PEKK, et le polyétherimide (PEI), mieux connu sous son nom commercial, ULTEM.

Le traitement des HPP en impression 3D continue d’être perfectionné, mais leur rôle est de plus en plus important pour résoudre des problèmes réels dans des chaînes de valeur de plus en plus complexes, avec des délais plus courts et des coûts optimisés. À cette occasion, nous explorons huit raisons de choisir des polymères haute performance en fabrication additive. L’objectif est de comprendre pourquoi ces matériaux peuvent cesser d’être une alternative expérimentale pour devenir une ressource de fabrication avancée.

#1 : Bonne résistance thermique

L’une des caractéristiques les plus remarquables des polymères hautes performances est leur stabilité thermique dans des conditions extrêmes. Alors que les plastiques standard, tels que l’ABS, commencent à perdre leurs propriétés mécaniques à environ 90-100 °C, des matériaux tels que le PEEK conservent leur structure en utilisation continue jusqu’à 250 °C, avec une résistance à des pics de température de 300 °C. Le PEKK et le PEI ont un comportement similaire, avec des températures de déflexion thermique supérieures à 200 °C, ce qui en fait un bon choix pour les applications où la stabilité thermique est une exigence. Ce niveau de performance signifie que ce type de polymères peut être utilisé dans des environnements industriels hostiles. Il s’agit notamment de pièces situées à proximité du moteur dans l’automobile ou de supports structurels dans les turbines aéronautiques.

On trouve un exemple de leurs performances dans les sports automobiles. La NASCAR a utilisé l’impression 3D et de l’ULTEM™ 9085 pour fabriquer un conduit NACA, installé sur le panneau inférieur du moteur, dont la fonction est de canaliser et d’évacuer l’air chaud généré pendant la compétition.

#2 : Résistance chimique

La résistance chimique est un autre facteur qui distingue les polymères hautes performances. Certains polymères subissent une dégradation accélérée lorsqu’ils entrent en contact avec des solvants organiques, des hydrocarbures ou des fluides industriels, ce qui n’est pas le cas des HPP. Ces derniers conservent leur structure pratiquement inchangée et fonctionnelle dans des environnements où la plupart des thermoplastiques échouent. Ils constituent donc des matériaux adaptés aux applications en génie chimique, aux systèmes de transport de fluides et aux équipements médicaux qui sont désinfectés ou stérilisés chimiquement.

#3 : Propriétés mécaniques exceptionnelles

Les polymères hautes performances se distinguent par leur équilibre entre résistance, rigidité et ténacité, ce qui explique leur utilisation dans les pièces fonctionnelles soumises à des contraintes prolongées. Contrairement aux thermoplastiques standard, les thermoplastiques hautes performances offrent des propriétés mécaniques qui rivalisent avec celles des métaux légers comme l’aluminium, avec l’avantage supplémentaire d’une faible densité. Par exemple, le PEEK présente une résistance à la traction pouvant atteindre 90 à 100 MPa, un chiffre supérieur à celui du PLA (60 MPa). Sa résistance à la fatigue est liée à ses propriétés mécaniques. Les HPP conservent leurs performances après de nombreux cycles, même dans des conditions dynamiques et avec des changements de température. Enfin, ils sont également résistants aux chocs, de sorte qu’un composant en PEKK, par exemple, peut absorber des charges soudaines sans se fracturer. Il convient de noter que pour atteindre ces propriétés mécaniques, la plupart des HPP nécessitent un post-traitement, tel que le recuit ou le traitement HIP, afin de soulager les contraintes résiduelles, d’améliorer la cohésion entre les couches et de maximiser la densité du matériau.

#4 : Remplacement des métaux

L’une des tendances les plus transformatrices dans le domaine de la fabrication additive est l’utilisation de polymères hautes performances en remplacement des composants métalliques. Comme on peut l’imaginer, ces matériaux sont intéressants en raison de leur combinaison de haute résistance chimique, de stabilité thermique, de résistance mécanique et de réduction de poids par rapport aux pièces métalliques équivalentes. Bien que l’impression 3D avec des HPP présente encore des défis, le traitement de ces matériaux offre des avantages. Pensons aux déchets importants générés par l’usinage des métaux et aux coûts élevés des outils, qui, en outre, ne permettent toujours pas de produire des géométries complexes ou des canaux internes. Un autre facteur clé est la résistance à la corrosion des polymères hautes performances, un point faible courant du côté des métaux.

Il est important de noter que, bien que les polymères hautes performances offrent des propriétés mécaniques comparables à celles des métaux, la plupart d’entre eux sont traités par FDM/FFF, ce qui signifie que les pièces peuvent présenter une certaine anisotropie, en fonction de l’adhérence des couches et de la configuration d’impression. Cette caractéristique doit être prise en compte lors de la conception de composants destinés à des charges critiques, mais elle ne limite pas leur application.

#5 : Compatibilité médicale

De toutes les applications des polymères hautes performances, le domaine médical est l’un de ceux qui a le plus bénéficié de leurs propriétés uniques. En particulier le PEEK, qui est reconnu pour sa biocompatibilité, c’est-à-dire qu’il est sans danger en cas de contact prolongé avec le corps humain. Grâce à sa résistance similaire à celle de l’os humain, le PEEK est utilisé pour fabriquer des implants personnalisés qui réduisent les complications postopératoires et s’intègrent parfaitement aux tissus. L’impression 3D de PEEK dans le secteur de la santé s’impose peu à peu et les procédures sont en cours de perfectionnement. Il convient de mentionner le cas de 3D Systems, qui a obtenu l’année dernière l’autorisation de la FDA pour le premier implant crânien VSP PEEK imprimé en 3D au monde. Les implants peuvent être créés dans les hôpitaux mêmes et avec un équipement stérile.

#6 : Possibilité de renforcement

Les HPP peuvent aussi être renforcés par des fibres, ce qui élargit encore davantage leurs propriétés. Cette polyvalence en fait des matériaux hautement adaptables à différents environnements industriels, de l’aviation à la défense. La combinaison des renforts et de la fabrication additive permet également des stratégies de conception avancées, telles que l’orientation des fibres en fonction de la direction de la charge, afin d’optimiser le comportement mécanique de la pièce.

#7 : Liberté pour les applications critiques

La véritable raison d’être des polymères hautes performances en impression 3D réside dans leur capacité à permettre des applications critiques, c’est-à-dire celles dans lesquelles une défaillance du matériau aurait des conséquences graves en termes de sécurité, de coût ou de continuité opérationnelle. Grâce à l’impression 3D, les HPP répondent aux exigences de performance en ajoutant des géométries et des conceptions qui seraient impossibles à réaliser avec les procédés utilisés jusqu’à présent pour ces polymères. Ils sont particulièrement prisés pour développer des applications pour les secteurs aérospatial, automobile et ferroviaire.

Cette adoption est renforcée par le fait que bon nombre de ces matériaux bénéficient de certifications internationales qui garantissent leur fiabilité dans des environnements très exigeants. Par exemple, l’ULTEM™ 9085 est conforme aux normes 25.853 relatives à la résistance au feu, à l’émission de fumée et à la toxicité (FST) pour les intérieurs d’avions, exigées par l’Administration fédérale de l’aviation et l’Agence européenne de la sécurité aérienne. D’autre part, la FDA et l’ASTM approuvent l’utilisation du PEEK dans les dispositifs implantables et chirurgicaux.

# 8 : Équilibre entre poids et performances

Enfin, les polymères hautes performances offrent un équilibre optimal entre légèreté et performances techniques. Contrairement aux métaux qui, bien que résistants, présentent l’inconvénient d’une densité élevée, les HPP offrent des propriétés comparables dans de nombreux cas, mais avec une réduction de poids pouvant atteindre 70 % par rapport à des pièces équivalentes en alliages légers tels que l’aluminium. Dans l’industrie aérospatiale, cet avantage est essentiel, car réduire d’un seul kilogramme le poids d’un avion peut permettre d’économiser des milliers de litres de carburant tout au long de sa durée de vie.

Et vous, utilisez-vous déjà des thermoplastiques hautes performances en fabrication additive ? N’hésitez pas à partager votre avis dans les commentaires de l’article. Vous pouvez aussi nous suivre sur Facebook ou LinkedIn !

*Crédits photo de couverture : VESTAKEEP