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Les thermoplastiques hautes performances : PEEK, ULTEM et autres polymères

Publié le 17 janvier 2019 par Mélanie R.
thermoplastiques hautes performances

Au cours des dernières années, les thermoplastiques hautes performances sont devenus un sujet largement débattu dans le monde de l’impression 3D. Alors que les technologies se développent et évoluent rapidement, il n’est pas surprenant de constater que des matériaux plus techniques se distinguent et tirent leur épingle du jeu. Parmi ces matériaux, on retrouve le polyaryléthercétone (PAEK), une famille de plastiques semi-cristallins capables de résister à des températures élevées tout en conservant une très grande résistance. Le PAEK est principalement utilisé sous forme de polyétheréthercétone (PEEK) et de polyétheréthercétone cétone (PEKK), deux matériaux qui présentent une rigidité élevée. Le polyétherimide (PEI) également connu sous le nom d’ULTEM, suscite aussi beaucoup d’attention ; malgré l’absence de cétone dans sa formulation, il présente des caractéristiques similaires tout en étant moins coûteux. Mais quelles sont les spécificités de ces thermoplastiques hautes performances ? Retour sur la famille des PAEK et du PEI !

L’histoire des thermoplastiques hautes performances

Les thermoplastiques hautes performances et le PEEK en particulier sont aussi solides que l’acier tout en étant généralement 80% plus légers, ce qui en fait des matériaux très prisés dans l’industrie manufacturière. Pourquoi sont-ils autant utilisés dans le secteur de la fabrication additive ? Il faut savoir que de tels matériaux existent depuis plus de trois décennies, bien qu’ils aient davantage été utilisés dans des processus de moulage par injection ou usinage. À l’origine, Stratasys était le seul fabricant capable de concevoir des imprimantes en mesure de supporter les températures élevées nécessaires à la fusion des polymères PAEK et PEI. Néanmoins, lorsque le marché a commencé à s’ouvrir, de plus en plus d’acteurs ont eu la possibilité de les expérimenter, ce qui a entraîné une commercialisation en masse et un développement accéléré.

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Le PEI a été développé pour la première fois par le département des plastiques de General Electric à la fin des années 1980. En 2007, SABIC, l’une des plus grandes entreprises publiques d’Arabie Saoudite, a acquis ce département et par conséquent les droits de la marque ULTEM. Le matériau, constituant une alternative plus abordable au PEEK, a immédiatement suscité un vif intérêt d’un point de vue financier. A cela s’ajoutent ses propriétés physiques importantes, telles qu’une résistance élevée à la chaleur, aux solvants et aux flammes, une rigidité diélectrique et une conductivité thermique importantes ; il représente donc une solution intéressante pour plusieurs projets d’ingénierie. Notons que l’ULTEM est devenu le matériau de choix pour des applications d’ingénierie très exigeantes, généralement dans l’industrie aérospatiale.

Imprimer le PAEK et le PEI

Pour l’instant, les polymères PAEK et PEI sont imprimés à partir de la technologie FDM ou SLS. Aujourd’hui, plus de 65% des imprimantes 3D reposent sur le FDM ; la majorité des matériaux hautes performances sont donc commercialisés sous la forme de filaments. Or, étant donné les caractéristiques de ces polymères haute température, ils ne s’impriment pas sur n’importe quelle machine FDM. Une imprimante 3D compatible avec le PAEK / PEI présente des paramètres plus complexes : la température d’extrusion doit au moins atteindre les 350°C, le plateau d’impression doit être chauffé à 230 °C pour retirer facilement la pièce et la machine doit avoir une chambre chauffée. Enfin, des mécanismes de refroidissement plus puissants sont nécessaires pour assurer un bon équilibre de la température dans la chambre d’impression.

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Crédits : ApiumTec

Comme pour la plupart des pièces complexes imprimées en 3D via le dépôt de matière fondue, des supports sont nécessaires. Quand il s’agit de PAEK et de PEI, comme l’objet final est assez rigide, il peut être difficile de retirer les supports d’impression. D’un autre côté, quand il s’agit de la technologie SLS, la pièce est quasi parfaite après impression, sans avoir besoin d’outillage supplémentaire. Les utilisateurs doivent toutefois prendre en considération le phénomène de warping ou gauchissement. La taille des polymères a tendance à rétrécir une fois l’impression terminée et la température baissée – plus la pièce est grande, plus le phénomène s’accentue. C’est pourquoi le PAEK et le PEI sont préférés pour imprimer de petites pièces. On peut toutefois optimiser les paramètres d’impression pour lutter contre ce gauchissement.

Les principaux acteurs du marché

La plupart des grands chimistes ont déjà pris conscience du changement qui se produisait dans les thermoplastiques hautes performances dans le domaine de la fabrication additive. En conséquence, il n’est pas surprenant que des noms comme Arkema, Lehmann & Voss ou Solvay soient évoqués lorsqu’on parle de la production des matériaux PAEK. Côté PEI, la marque ULTEM de SABIC est pour le moment la seule disponible sur le marché.

Si on s’intéresse maintenant aux fabricants d’imprimantes 3D compatibles avec le PAEK et le PEI, l’entreprise chinois INTAMSYS retient notre attention avec sa large gamme de machines professionnelles et de bureau. Le hollandais Tractus3D a également fait parler de lui, ainsi que le géant allemand EOS qui a récemment dévoilé une imprimante HTLS (High temperature laser sintering). Les imprimantes 3D PEEK et ULTEM sont maintenant plus nombreuses, ouvrant alors le champ des possibles.

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Crédits : ApiumTec

Les applications industrielles des thermoplastiques hautes performances

Avec une résistance mécanique et thermique très élevées allant jusqu’à 260 ° C, les matériaux PAEK résistent bien à la dissolution dans de nombreuses substances liquides contrairement à la plupart des autres plastiques. Lorsqu’ils sont exposés au feu, ils ne dégagent presque pas de gaz ni de vapeurs nocives. Cela en fait donc des matériaux très prisés dans de nombreuses industries.

L’automobile a rapidement utilisé les capacités des PAEK et du PEI pour diverses applications. On pense surtout à la production d’outillage rapide à faible coût que ce soit pour le moulage par injection, le thermoformage, les gabarits et les montages. Cela permet aux entreprises de produire des pièces de faible à moyen volume à des coûts réduits. De plus, la fabrication de pièces sur mesure est de plus en plus demandée, car elles peuvent être modifiées pour répondre à des exigences précises.

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Crédits : ApiumTec

Les PAEK et le PEI sont également beaucoup utilisés dans le secteur médical. Par exemple, on retrouve beaucoup le PEEK pour blinder des dispositifs d’imagerie par résonance magnétique (IRM). Il est également considéré comme un biomatériau de pointe pour les implants médicaux, les tiges de renforcement et les dispositifs pour la colonne vertébrale. Le fait qu’il puisse résister à l’eau bouillante et à la vapeur surchauffée le rend idéal pour les objets devant être stérilisés à des températures extrêmement élevées.

Enfin, l’aérospatial est un fidèle adepte de ces thermoplastiques hautes performances. La résistance chimique, le rapport résistance / poids et la tolérance au feu, à la fumée et à la toxicité font de ces polymères le substitut idéal au métal qui est souvent utilisé pour les pièces et l’outillage de véhicules spatiaux. Les isolations thermo-acoustiques, les supports structurels, les colliers de serrage et les entretoises, les fixations, les connecteurs et les systèmes de tuyauterie ne sont que quelques exemples des impressions en PAEK et PEI réalisées par les acteurs de l’aérospatial. Le poids est souvent réduit de 70% d’ailleurs.

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Une pièce imprimée en 3D en PEEK pour l’aérospatial

Notons aussi que les industries de la marine, du nucléaire, du pétrole et du gaz utilisent de plus en plus cette famille de matériaux.

L’avenir du PAEK et du PEI

L’utilisation de thermoplastiques hautes performances n’est pas encore sans faille. Il existe des aspects du processus de fabrication sur lesquels les chercheurs travaillent et améliorent constamment. Par exemple, comme mentionné précédemment, les étapes de post-traitement sont encore complexes. Toutefois, certaines initiatives tendent aujourd’hui à faciliter l’ensemble du processus. D’autres entreprises se focalisent quant à elles sur des matériaux encore plus innovants, répondant aux spécificités et exigences de chaque industriel ; le français Kimya en est un parfait exemple. A terme, on peut se demander si les matériaux hautes performances ne pourraient pas concurrencer le développement de l’impression 3D métal.

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Crédits : ApiumTec

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