Le matériau approprié pour votre application spécifique de fabrication additive améliore considérablement les caractéristiques de l'impression.
Le bon matériau pour votre application spécifique de fabrication additive améliore considérablement les caractéristiques de l'impression. CEAD Group ne se contente pas de développer et de fournir des solutions d'impression à grande échelle, mais conseille également les organisations sur l'utilisation du bon matériau. Cet article vous guide dans le processus de sélection du bon matériau pour votre impression 3D. Le nombre de matériaux disponibles ne cesse d'augmenter. Comment déterminer le meilleur matériau pour votre application ?
MATÉRIAUX THERMOPLASTIQUES OU THERMODURCISSABLES
Cet article est destiné à l'impression 3D à grande échelle. Pour l'impression de taille moyenne et de bureau, les matériaux thermoplastiques et thermodurcissables sont tous deux utilisés. Pour la fabrication additive grand format (LFAM), les matériaux thermoplastiques sont la seule option viable.
Les polymères thermoplastiques peuvent être fondus et remodelés plusieurs fois. Contrairement aux polymères thermodurcissables, ce type de polymère ne réticule pas. Les polymères thermoplastiques s'assemblent grâce à l'enchevêtrement des chaînes de polymères, aux « forces de Van der Waals » et aux liaisons hydrogène. Cette caractéristique fait des polymères thermoplastiques le matériau idéal pour les applications durables, car ils peuvent être recyclés et imprimés à nouveau.
Stratégie d'impression à 45 degrés avec notre Flexbot hybride pour l'impression 3D et le post-traitement. Cette stratégie élimine la nécessité de repositionner la pièce sur le lit d'impression et permet d'automatiser les processus de production.
1 : SÉLECTIONNER LE BON TYPE DE POLYMÈRE POUR VOTRE IMPRESSION
La première étape du processus de sélection du bon matériau consiste à choisir le bon polymère de base. Comme toujours, l'application de l'impression influe sur le choix du bon polymère. Nous distinguons les impressions 3D entre les moules et l'outillage, les pièces finales structurelles, les pièces finales non structurelles et la recherche.
Prenons l'exemple de l'impression 3D pour le moulage. Si l'impression est utilisée comme moule pour un autre processus, il est important de tenir compte de la température à laquelle le moule sera exposé. Le choix d'un polymère présentant une bonne stabilité dimensionnelle à la température d'utilisation prévue est la bonne étape. Des matériaux tels que l'ABS, le PC et le PEI sont utilisés dans les applications de moulage, chacun ayant sa propre limite de température d'utilisation.
En outre, d'autres aspects environnementaux doivent être pris en compte. Dans le cas d'une application impliquant de l'eau, par exemple un bateau imprimé, il convient de choisir un matériau qui ne se détériore pas lorsqu'il est exposé à l'eau. Les polyoléfines telles que le PP et le PEHD sont connues pour leur faible absorption d'eau. De même, les polymères qui absorbent un peu d'humidité, comme le PETG, peuvent rester stables dans la plage de température d'utilisation prévue.
Un dernier élément à prendre en considération est l'exposition de l'imprimé à des produits chimiques susceptibles d'attaquer le matériau polymère. Il s'agit de cas particuliers, comme dans les joints industriels ou les applications aérospatiales où le contact avec des fluides hydrauliques agressifs peut se produire. Les polymères à squelette aromatique comme le PPS, le PEEK et le PEKK sont connus pour leur excellente résistance aux produits chimiques.
1.1 SEMI-CRISTALLIN ET AMORPHE
Les deux principales familles de polymères thermoplastiques sont les polymères semi-cristallins et les polymères amorphes. Lorsqu'ils sont refroidis à partir de l'état fondu, les polymères semi-cristallins forment des zones où les chaînes de polymères s'orientent de manière ordonnée et forment des cristallites. Ces cristallites sont entourées d'une matière amorphe orientée de manière aléatoire. La quantité de matière qui se trouve à l'état cristallin après avoir été transformée est appelée le degré de cristallinité (DoC).
En général, les matériaux polymères qui possèdent les deux caractéristiques suivantes sont semi-cristallins. Tout d'abord, ils doivent présenter un ordre constant d'unités répétées dans leur colonne vertébrale. En outre, les groupes latéraux de leur colonne vertébrale doivent être relativement petits. Voici des exemples de matériaux polymères qui répondent à ces deux caractéristiques : PP, PLA, PA6, PPS, PEEK.
De l'autre côté du spectre, on trouve les matériaux amorphes. Ces polymères ne forment pas de cristallites lorsqu'ils sont refroidis. En outre, leurs chaînes de polymères restent orientées de manière aléatoire, contrairement aux structures cristallisées des polymères semi-cristallins. Les matériaux polymères dont les monomères du squelette peuvent être ordonnés de manière aléatoire ou qui présentent des groupes latéraux relativement importants sont généralement amorphes. L'ABS, le PETG, le PC et le PEI sont des exemples de propriétés amorphes.
Gros plan d'une extrudeuse robotisée CEAD imprimant à un angle de 45 degrés.
TRAITEMENT DES POLYMÈRES SEMI-CRISTALLINS ET DES POLYMÈRES AMORPHES
Afin d'illustrer davantage les différences de traitement entre les polymères amorphes et semi-cristallins, deux exemples sont donnés :
Dans la fabrication additive grand format, les polymères semi-cristallins sont légèrement plus difficiles à traiter. Lors du refroidissement d'une impression, le degré de cristallinité du matériau change. La fraction cristalline du matériau ayant une densité différente de la fraction amorphe, il en résulte des tensions internes dans le matériau qui entraînent la déformation et le gauchissement de la structure imprimée.
En outre, lors de l'application d'un cordon de polymère fraîchement imprimé sur une couche déjà imprimée, l'interface du nouveau et de l'ancien cordon doit devenir fondue pour permettre une mobilité suffisante de la chaîne de polymère afin d'obtenir une liaison correcte entre les couches. Les cristallites des matériaux semi-cristallins nécessitent beaucoup d'énergie supplémentaire pour être fondues par rapport aux matériaux amorphes. Cette énergie supplémentaire nécessaire au processus de liaison ne peut être apportée que par la perle nouvellement imprimée, qui doit donc être imprimée à une température relativement élevée.
1.2 MATÉRIAUX ÉLASTOMÈRES
Un autre type de matériaux thermoplastiques est celui des matériaux élastomères, ou élastomères en abrégé. Les élastomères sont un type de polymère qui a la capacité de s'étirer et de reprendre sa forme initiale. Ils sont comparables à un élastique.
Ce groupe de plastiques élastiques fait référence aux caoutchoucs : substances naturelles ou synthétiques qui ont la capacité d'intégrer l'élasticité du caoutchouc dans un objet imprimé. Les élastomères ont généralement une grande flexibilité et donc une faible rigidité. Bien que les extrudeuses du CEAD soient capables d'imprimer des matériaux élastomères, elles impriment presque exclusivement des polymères thermoplastiques.
Photo d'une extrudeuse robotisée qui imprime à mi-chemin un klaxon, dans le cadre d'un système de sonorisation d'Addit Audio.
2 : TYPE DE GRADE
Après avoir sélectionné le polymère de base approprié, vous pouvez constater qu'il existe une variété de qualités du même polymère. Les fournisseurs proposent souvent plusieurs qualités différentes, optimisées pour certains cas d'utilisation ou processus. Deux facteurs doivent au moins être pris en compte lors de la sélection d'un grade de polymère :
VISCOSITÉ
La viscosité du matériau à la température de fusion est essentielle à la réussite du LFAM. Lorsque la viscosité est trop faible (aqueuse), le matériau ne conserve pas la forme du cordon d'extrusion mais s'écoule, et aucune structure ne peut être imprimée. Lorsque la viscosité est trop élevée (beurre de cacahuète), les chaînes de polymères du cordon n'ont pas la mobilité suffisante pour se lier correctement à la couche de matériau précédente.
VITESSE DE CRISTALLISATION
Comme nous l'avons déjà mentionné, les matériaux semi-cristallins sont plus difficiles à traiter. Les qualités qui cristallisent rapidement (conçues pour des processus à cycle court et donc à taux de refroidissement élevé) atteindront rapidement un degré de cristallinité proche du maximum réalisable lors du refroidissement.
Cela présente un inconvénient lors de l'impression, car un degré élevé de cristallinité signifie qu'il faut ajouter beaucoup de chaleur dans la couche suivante pour faire fondre toutes les cristallites de la couche précédente et obtenir une liaison correcte entre les couches. Les qualités à cristallisation lente sont préférées dans le LFAM.
Lampes imprimées en 3D à grande échelle. Inspiré par : Knit Lighting - Joachim Froment
3 : MATÉRIAUX RENFORCÉS OU VIERGES
La troisième étape du processus de sélection des matériaux consiste à choisir entre un matériau renforcé de fibres et un matériau non renforcé (vierge). L'ajout de fibres au matériau affecte l'imprimabilité du matériau et les performances de la pièce imprimée. La présence de fibres contribue à améliorer la stabilité dimensionnelle du matériau imprimé. Les effets de rétrécissement et de gauchissement sont également réduits lors de l'utilisation de matériaux renforcés. Cela se fait au prix d'une légère augmentation de la viscosité de la matière fondue.
Il convient de noter que les matériaux renforcés peuvent avoir un effet d'usure sur le cylindre et la vis. Vous devez donc utiliser un cylindre et une vis résistants à l'usure lorsque vous imprimez des matériaux renforcés. Les extrudeuses de CEAD sont toujours conçues pour imprimer des matériaux renforcés et non renforcés.
Nous pouvons distinguer 3 types de fibres de renforcement : les fibres de verre, les fibres de carbone et les fibres biosourcées.
FIBRES DE VERRE
Les fibres de verre constituent un renfort rentable pour les résines de fabrication additive. Elles se situent à mi-chemin entre le prix et la performance et apportent une amélioration significative de la rigidité de la structure imprimée.
Une autre caractéristique des fibres de verre est leur faible conductivité thermique. Leur conductivité thermique est inférieure à celle des fibres de carbone. Les impressions en fibres de verre se refroidissent donc un peu plus lentement que des impressions similaires en fibres de carbone.
FIBRES DE CARBONE
La plus grande amélioration des propriétés mécaniques est apportée par l'ajout de fibres de carbone dans les matériaux. Les fibres de carbone ont une résistance et une rigidité excellentes, combinées à un poids inférieur à celui des fibres de verre.
En outre, les fibres de carbone ont un faible coefficient de dilatation thermique (CTE), ce qui permet de réduire la dilatation thermique de l'ensemble de la structure imprimée. Ceci est très avantageux pour des applications telles que les moules qui sont utilisés à des températures élevées.
Les fibres de carbone sont les plus chères des fibres de renforcement et leur utilisation doit être justifiée par le domaine d'application de la pièce imprimée.
FIBRES BIOSOURCÉES
Le dernier type de fibre utilisé dans la fabrication additive est classé dans les fibres biosourcées. Ces fibres proviennent de sources renouvelables et sont souvent biodégradables. Les fibres biosourcées sont excellentes pour le développement durable, mais ces types de fibres confèrent moins de résistance à l'objet imprimé que les fibres de verre et de carbone.
Comme pour la plupart des matériaux biosourcés, la température maximale de traitement avant dégradation est limitée et le matériau doit être séché abondamment.
L'impression 3D industrielle permet de réduire le temps de production d'un outil d'autoclave automobile de quelques semaines à quelques jours.
4. ADDITIFS
Une fois le bon renfort fibreux choisi, le processus de sélection peut se terminer par l'étape ultime : la prise en compte des additifs du matériau. Les additifs sont couramment utilisés dans l'industrie des polymères et sont ajoutés aux grades de polymères à des fins spécifiques. Les additifs les plus courants sont les suivants
- Stabilisateurs UV: ces additifs ralentissent la dégradation du polymère lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil. Le noir de carbone est connu pour être un bon stabilisateur UV.
- Stabilisateurs thermiques: ces additifs réduisent la dégradation du polymère lorsqu'il est exposé à des températures élevées, par exemple au cours du processus de granulation et du processus d'impression 3D.
- Retardateurs de flamme: ces additifs limitent l'inflammabilité du polymère. Ils sont couramment utilisés dans les applications de transport où un certain degré d'ignifugation peut être exigé.
- Additifs antibactériens: pour les applications où l'impression est immergée dans l'eau. Les additifs antibactériens empêchent la prolifération des bactéries sur la surface de l'impression.
- Additifs de coloration: tout comme le filament, les polymères thermoplastiques peuvent également être colorés selon les souhaits. Pour ce faire, les fournisseurs de matériaux mélangent le polymère à un lot de matériaux auquel a été ajouté un nombre concentré de pigments colorants, appelé lot principal.
En général, les fournisseurs de matériaux d'impression 3D proposent une sélection de qualités avec certains additifs. Les additifs augmentent le coût des matériaux d'impression 3D ; il convient donc de sélectionner avec soin les additifs nécessaires à votre application.
CONSEILS DU CEAD POUR LES MATÉRIAUX DE FABRICATION ADDITIVE
Le CEAD possède une connaissance approfondie des matériaux utilisés dans la fabrication additive et a de bons contacts avec la plupart des fournisseurs de matériaux actifs dans l'industrie. Nous pouvons vous aider à sélectionner le matériau optimal pour votre application de fabrication additive en utilisant le Flexbot ou la série d'extrudeuses.