Le TPU en impression 3D : quelles sont les caractéristiques de ce matériau souple ?

Quand on parle d’impression 3D par dépôt de matière fondue, beaucoup de matériaux peuvent être employés. Les plus communs sont le PLA et l’ABS, réputés notamment pour leur facilité d’impression et accessibilité. Toutefois, la plupart des utilisateurs du marché cherchent à aller plus loin en adoptant des matières plus techniques, offrant des caractéristiques mécaniques plus élevées ou tout simplement des duretés de surface variées. C’est le cas de la famille des élastomères thermoplastiques, plus connus sous leur acronyme TPE. Parmi eux, on retrouve les polyuréthanes thermoplastiques TPU, réputés pour leur flexibilité et leur grande résistance à l’usure. Ces matériaux étant très souples, il n’est pas étonnant de voir qu’ils ont des caractéristiques d’impression spécifiques et qu’un utilisateur devra s’armer de patience s’il souhaite imprimer des pièces sur des machines traditionnellement employées pour de l’ABS ou du PLA. C’est pourquoi Benjamin Devic, Responsable Ingénierie chez ALSIMA, vous donne quelques conseils pour optimiser vos impressions en TPU et préparer au mieux votre imprimante 3D.

3DN : Pouvez-vous vous présenter ainsi que votre rôle chez ALSIMA?

Je suis ingénieur industriel de formation et responsable ingénierie chez Alsima: Catalyseur technologique. J’ai co-fondé Alsima en 2015 après avoir passé plusieurs années au Canada en tant que directeur d’usine. Après avoir utilisé l’impression 3D pendant plus d’une décennie, j’ai décidé d’aider les industriels à intégrer cette technologie révolutionnaire. Chez Alsima, nous développons des solutions innovantes d’impression 3D afin d’accompagner les industriels à maximiser le potentiel de cette technologie.

Benjamin Devic (à gauche), Responsable Ingénierie chez ALSIMA

3DN : Quelles sont les principales caractéristiques de la famille des TPU ? Qu’est-ce qui le différencie d’un autre plastique ?

Un TPU est un diminutif pour TPE-U. On est dans la famille des élastomères thermoplastiques et on retrouve 4 grandes groupes : TPE-U / TPE-S / TPE-A / TPE-E.

Ce qui le différencie particulièrement avec les autres thermoplastiques est la possibilité d’avoir des duretés de surface très différentes. Cette spécificité est appelée « dureté shore », indique le niveau de souplesse d’un TPU. L’un des shore les plus utilisés est le 95shA, ce qui représente une dureté assez haute. A l’inverse le plus bas, que nous ayons imprimé correctement est le 60shA. Toutefois, cela nécessite une machine préparée spécifiquement pour ce type de filament.

Pièce imprimée avec un TPU Flex 85A (crédits photo : ALSIMA)

Les TPU ont aussi d’excellentes propriétés telles que :

• Forte résistance à l’usage et à l’abrasion.
• Forte résistance aux huiles, aux graisses végétales, animales et aux huiles minérales.
• Résistance aux chocs et coupures

Un autre point important est que les TPU ont une excellente cohésion de couche, elle confère à la pièce imprimée une homogénéité mécanique. La pièce est donc isotrope.

3DN : Le TPU implique-t-il des paramètres d’impression particuliers?

Dans des duretés shore relativement hautes (>95A min), il n’y a pas de grandes problématiques d’impression hormis un bon contrôle des rétractations. Concernant les matériaux plus souples (<95A), sur les machines standards, il faut diminuer grandement la vitesse de dépose pour éviter des problèmes de filament bloqué dans l’extrudeur.

En dessous de 95A shore l’entrainement direct du filament sur la tête d’impression est une solution plus adaptée que le bowden qui pousse la matière depuis le châssis. Autre point très important : la ventilation pièce. Celle-ci impacte directement la qualité de l’impression. Un manque de ventilation entraine des défauts esthétiques majeurs.

Pièce imprimée en 3D avec un TPU Flex 80A (crédits photo : ALSIMA)

3DN : Des étapes de post-traitement particulières ?

Les TPU sont difficiles à post traiter. En effet, leur résistance à l’abrasion fait qu’il est difficile de poncer ou traiter une surface imprimée. Certains TPE stryréniques (TPE-S / SEBS) peuvent être traités chimiquement comme l’ABS. Une reprise en usinage est aussi possible.

3DN : Quelles sont les principales applications du TPU ?

Les applications sont nombreuses, disons tout ce qui a besoin de souplesse ! Parmi nos clients, nous trouvons des applications de préhension (pinces), de silentblocs sur mesure, de protections pièces, d’amortisseurs et posages. Nous travaillons aussi sur des joints d’étanchéité spécifiques.

Les usages des matériaux souples restent encore à découvrir. C’est pourquoi nous proposons généralement deux types d’accompagnement. D’abord nous réalisons un audit pour définir les applications, puis nous lançons un banc d’essai d’impressions 3D de cas concrets pour viabiliser le projet. Vous pouvez aussi consulter notre livre blanc des applications pour en savoir plus.

Une machine préparée par ALSIMA afin d’imprimer en 3D du TPU

Les TPU permettent aussi de prototyper certaines pièces souples sans passer par un moulage sous vide. Un avantage important de l’impression TPU en FDM est la possibilité de faire varier la structure extérieure de la pièce et d’ajuster les remplissages internes de la pièce. Cela a pour effet de changer la souplesse, l’amorti et la réaction sous effort de la pièce imprimée.

3DN : Quelles sont les limites du TPU ?

Contrairement au silicone, les TPU ne sont pas bons dans les environnements chauds. En effet, malgré une plage de travail relativement large (-20°C – + 65°C), les TPU ne résistent pas aux hautes températures. Aujourd’hui, nous sommes limités en FDM pour la dépose de TPU très souples (<60A shore). Des travaux sont en cours chez nous afin de faire descendre cette limite, d’un point de vue matière et machine.

3DN : Si vous pouviez donner un conseil à ceux qui veulent imprimer avec un matériau flexible, ça serait quoi ?

Soyez patients sur des machines standards, les TPU s’impriment à des vitesses lentes pour ne pas causer de problèmes dans l’extrudeur. C’est une matière capricieuse. Sa plage de température d’extrusion est faible et une surchauffe peut entrainer des bulles dans la matière, à l’inverse, une température trop faible créer des sous-extrusions. 

Pièce imprimée avec un TPU Flex 60A (crédits photo : ALSIMA)

3DN : Un dernier mot pour nos lecteurs ?

 Vous avez un projet lié aux matériaux élastomères ? Défiez-nous ! Rendez-vous sur notre site ICI pour en savoir plus.

Avez-vous déjà imprimé en 3D du TPU ? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article ou avec les membres du forum 3Dnatives.