De l'aérospatiale à l'automobile en passant par les soins de santé, de plus en plus d'industries passent des métaux aux non-métaux pour les composants structurels, les pièces d'équipement, les implants et l'outillage. Les polymères haute performance s'avèrent plus performants que leurs anciens homologues métalliques. De plus, ils sont plus légers, moins chers et plus rapides à produire en petites quantités que les pièces métalliques.

Les pièces en polymère imprimées en 3D peuvent être durables, résistantes à la corrosion, aux produits chimiques, à la chaleur, aux chocs à haute température et surtout aux températures inférieures à zéro. Elles présentent des qualités élevées d'isolation électrique et d'amortissement du bruit. Les polymères peuvent également être personnalisés afin d'être fabriqués dans des formes souvent impossibles à réaliser avec du métal, et être finalement imprimés en 3D sous forme monolithique, de sorte qu'il ne soit pas nécessaire de les assembler ou de les souder.

Il existe des dizaines de plastiques pour l'impression 3D avec des degrés variables de solidité, de durabilité, de résistance à l'usure, de tolérance à la chaleur, de biocompatibilité et d'autres attributs dont vous pourriez avoir besoin dans votre pièce finale. Mais comment choisir le bon ?

Dans cet aperçu des matériaux haute performance, nous présenterons les caractéristiques des principaux polymères utilisés aujourd'hui dans la fabrication additive, afin de vous aider à faire le meilleur choix selon votre projet ou votre domaine d'application.

Quels sont les matériaux à haute performance ?


Pièces imprimées en PEEK avec la Minifactory Ultra (Source : Minifactory)

En ce qui concerne les plastiques, le terme "haute performance" n'est pas une classification scientifique, les diverses sources ne s'accordant pas sur les polymères à inclure. Vous entendrez peut-être des termes tels que "grade d'ingénierie", "polymères techniques" ou "plastiques de performance" pour désigner des matériaux présentant une solidité, une pureté, une rigidité et une résistance à l'usure et aux produits chimiques supérieures à celles des matériaux d'impression 3D les plus courants, tels que le PLA et l'ABS.

En plus de la grande variété de types de polymères disponibles, il existe une multitude de mélanges de polymères, de polymères renforcés par des fibres de verre ou de carbone et de matériaux composites de marque.

En général, les plastiques hautes performances sont ceux qui conservent leurs propriétés mécaniques, thermiques et chimiques lorsqu'ils sont soumis à des environnements difficiles, tels que les hautes températures, les hautes pressions et les produits chimiques corrosifs. En d'autres termes, ils ne se plient pas, ne se déforment pas, ne se fissurent pas et ne se fendent pas.

Plastiques de base ou courants

PLA            ABS               ASA                PP                   PMMA                  HIPS                      

Plastiques techniques

PC               PA                   PET                    TPU                    TPE                  TPC                       PETG

Plastiques à haute performance

PEI                         PEEK                   PEKK                     PVDF               PPSU

 


Propriétés mécaniques des plastiques techniques et des plastiques haute performance

PC (Polycarbonate)


Le polycarbonate (PC) est un matériau solide qui se distingue par trois caractéristiques principales : la clarté optique, la résistance à la chaleur et une incroyable robustesse. Lorsqu'il est imprimé en 3D, il est utilisé dans de nombreux secteurs pour les prototypes de phares automobiles, les abat-jour et les boîtiers translucides de composants électriques.

    ► Hautement transparent, matériau semblable au verre
    ► Grande résistance jusqu'à -20 °C
    ► Haute résistance mécanique jusqu'à 140 °C
    ► Intrinsèquement ignifugé
    ► Bonnes propriétés d'isolation électrique non influencées par l'eau ou la température
    ► Possède une bonne résistance à l'abrasion
    ► Supporte les stérilisations répétées à la vapeur


    PA (Polyamide, Nylon)


    Les polyamides (également appelés nylons) en tant que classe de plastiques - disponibles en PA6, PA11, PA12, et autres - sont appréciés pour leur bon équilibre de propriétés. Généralement issus du pétrole (à l'exception du PA11, qui est un bioplastique), ils présentent à la fois une solidité et une résistance à l'usure tout en étant faciles à travailler. Le PA est généralement renforcé par des fibres de carbone, de verre, de kevlar ou intégré à des fibres de carbone continues, pour un renforcement supplémentaire. Largement utilisé dans les applications techniques haut de gamme, telles que les engrenages, les gabarits, les montages et l'outillage, le PA est disponible sous forme de filament et de poudre.

      ► Résistance et rigidité élevées à haute température
      ► Bonne résistance aux chocs, même à basse température
      ► Très bonne fluidité pour une transformation facile
      ► Bonne résistance à l'abrasion et à l'usure
      ► Haute résistance aux carburants et aux huiles
      ► Bonnes propriétés d'isolation électrique
      ► Haute résistance à la fissuration sous contrainte, au vieillissement et à l'abrasion
      ► Forte absorption d'eau
      ► Vulnérable aux acides minéraux et aux solvants

       

      PETG / PET (polyethylene)

      Pièces imprimées en 3D en PETG à partir de Extrudr, Filamantworld PETG filament, et Reflow rPETG.


      Le PET et le PETG font partie de la même famille des polyéthylènes téréphtalates.

      PET

      Le PET est l'un des plastiques les plus utilisés au monde, notamment pour les emballages de produits alimentaires et de boissons, mais il n'est pas très populaire pour la fabrication additive en raison de sa faible résistance à la chaleur.

      PETG

      Le PETG, en revanche, est largement utilisé pour l'impression 3D en raison de son importante résistance chimique et thermique, de sa bonne durabilité et de sa formabilité (par rapport aux autres plastiques). On peut dire qu'il ne s'agit pas d'un polymère de qualité technique en raison de sa faible résistance, mais la résistance à l'usure et aux chocs du PETG en fait un matériau adapté à une série d'applications industrielles pour lesquelles un plastique économique est une priorité. Les applications du PETG comprennent les alignements dentaires, la signalisation et les affichages graphiques, ainsi que les boîtiers d'équipements électriques.

        ► Résistance chimique et thermique importante
        ► Durabilité
        ► Rigidité et résistance modérées seulement
        ► Sécurité alimentaire et non-toxique
        ► Translucide et doté d'une surface brillante.

        Prix : Filament (1kg) à partir de 35 €

         

        TPE / TPU / TPC (thermoplastic elastomers)

        Les TPE (élastomères thermoplastiques) sont issus d'une classe de matériaux qui sont un mélange de plastique et de caoutchouc, comprenant le TPU (polyuréthane thermoplastique), le TPC (co-polyester thermoplastique) et d'autres. Ces plastiques sont très souples et flexibles. Ils sont de plus en plus utilisés dans la fabrication additive pour produire des pièces qui peuvent être pliées ou étirées sans aucune déformation.

        Les TPU sont aussi généralement plus durables et peuvent offrir une meilleure résistance à l'abrasion, aux huiles, aux produits chimiques et aux températures élevées et basses que le filament TPE. Le PTC se distingue par sa résistance aux hautes températures et son excellente résistance aux UV. Il est particulièrement prisé dans les applications biomédicales et pour les dispositifs médicaux et portables. Les TPE sont disponibles sous forme de filament, de poudre et de résine.

          ► Grande élasticité sur toute la gamme de dureté
          ► Excellente résistance aux chocs et aux basses températures
          ► Résilience aux huiles, aux graisses et aux solvants.
          ► Grande résistance aux intempéries et aux rayonnements à haute énergie
          ► Très bonnes propriétés d'isolation électrique
          ► Peut être produit dans une variété de niveaux de dureté.


          Prix : Filament (1kg) à partir de 40€

          Prix : Poudre (6 kg) à partir de 1 000€.

          PEI (polyetherimide / Ultem)


          Pièces imprimées en 3D en Ultem avec FormFutura PEI ULTEM 9085 et Intamsys ULTEM 1010.


          Le polyétherimide (PEI) a été développé pour la première fois en 1982 par General Electric Company (aujourd'hui SABIC) sous le nom commercial d'Ultem, comme il est encore communément appelé. Ce plastique haute performance se caractérise par des propriétés thermiques, mécaniques et électriques exceptionnelles. Le PEI offre aux fabricants un rapport résistance/poids élevé, ce qui en fait une alternative rentable au métal. Il est suffisamment résistant pour remplacer l'acier dans certaines applications et suffisamment léger pour être utilisé dans d'autres afin de remplacer l'aluminium, notamment dans l'aérospatiale.

          Parmi les autres applications du PEI, citons les composants d'engrenages, les boîtiers de vannes, les boîtiers de capteurs et de thermostats, les applications électriques exigeantes, les cartes de circuits imprimés et les dispositifs de plénum. Il existe de nombreux grades d'Ultem, le plus courant étant l'Ultem 1000. L'Ultem 1010 est un matériau en résine, et l'Ultem 2300 est un matériau renforcé de verre à 30%.

            ► Très bonne conservation des propriétés mécaniques à des températures extrêmement élevées
            ► Résistance spécifique, rigidité, flexibilité et résistance dimensionnelle exceptionnelles.
            ► Bonnes propriétés électriques
            ► Bonne résistance à la lumière UV et aux intempéries
            ► Résistance intrinsèque à la flamme
            ► Résistant aux alcools, aux acides et aux solvants hydrocarbonés, mais se dissout dans les solvants partiellement halogénés.
            ► Le PEI présente également une bonne stabilité hydrolytique
            ► Se comporte particulièrement bien dans les environnements d'air chaud et d'eau.
            ► La plupart des grades de PEI sont compatibles avec le contact alimentaire.


            Prix : Filament (1kg) à partir de 350€

            PEEK (polyetheretherketone)

            Pièces imprimées en 3D en PEEK par Roboze, Stratasys, Indmatec, et bobine de matériau par Evonik

            Le PEEK             appartient à la famille des polymères polyaryléthercétones (PAEK) et jouit d'une popularité croissante pour ses applications dans les domaines militaire, pharmaceutique, pétrochimique et de l'emballage alimentaire. Cependant, son coût élevé et sa transformation délicate le limitent à une utilisation industrielle avec des imprimantes spécifiques. Le PEEK pèse moins de la moitié du poids de l'aluminium et 1/6eme de celui de l'acier, ce qui en fait une excellente pièce de rechange métallique dans l'industrie pétrolière et gazière et dans l'aérospatiale. Les propriétés du PEEK peuvent être encore améliorées en le combinant avec des matériaux composites, tels que la fibre de verre, le graphite ou les renforts en carbone, qui aident à lutter contre le rétrécissement. Le PEEK est également utilisé pour les implants médicaux (car il est entièrement biocompatible et transparent aux rayons X), mais il y a une énorme différence entre le PEEK industriel et le PEEK implantable.

              ► Hautement résistant aux températures extrêmes jusqu'à 260°C
              ► Résistant aux fluides corrosifs, aux gaz et aux hautes pressions.
              ► Haute résistance à l'eau ou à la vapeur à haute pression.
              ► Grande capacité d'autolubrification et faible friction
              ► Résistance exceptionnelle au fluage
              ► Bonne stabilité dimensionnelle
              ► Faible inflammabilité et faible émission de fumée en cas de combustion
              ► Propriétés d'isolation exceptionnelles
              ► Excellente résistance à la stérilisation à haute température
              ► Entièrement biocompatible


              Prix : Filament (1kg) à partir de 850€

              PEKK (polyetherketoneketone)

              Parts 3D printed in PEKK with FormFutura Luvocom 3F PEKK and Antero 800NA PEKK.

              Le PEKK               est un autre polymère de la famille des polyaryléthercétones (PEAK) et l'un des polymères les plus performants au monde. Le PEKK possède des propriétés de résistance mécanique, thermique et chimique exceptionnellement bonnes, mais il est beaucoup plus facile à imprimer que le PEEK. En fait, le PEKK peut être traité à des températures d'impression 3D inférieures à celles des filaments à base de PEEK, ne nécessite pas de chambre surchauffée (comme le PEEK) et présente une excellente liaison des couches, ce qui permet d'obtenir des pièces d'une précision dimensionnelle et d'une résistance en Z exceptionnelles. Il s'agit d'un autre polymère d'impression 3D polyvalent et performant qui peut remplacer les pièces métalliques et composites dans diverses industries, de l'aérospatiale à l'automobile en passant par les technologies médicales et la marine. Le matériau est résistant aux hydrocarbures et aux fluides.

              Les pièces imprimées avec le PEKK peuvent être traitées thermiquement (recuites) après l'impression pour maximiser les propriétés de résistance mécanique, thermique et chimique. Les pièces imprimées seront de couleur dorée transparente, puis prendront une couleur havane opaque une fois recuites.

                ► Résistance à une température élevée de 255+ ºC
                ► Très grande rigidité, résistance à la traction et à la compression, résistance aux chocs.
                ► Facile à imprimer
                ► Retardateur de flamme, faible dégagement gazeux
                ► Gauchissement très limité
                ► Résistant à pratiquement tous les produits chimiques organiques et inorganiques.


                Prix : Filament (1kg) à partir de 750€

                PVDF (polyvinylidenefluoride)


                Matériaux PDVG par Nanovia PVDF et FluorX PVDF de 3DXTech AM.

                Le PVDF (polyfluorure de vinylidène) est un autre polymère qui gagne des applications dans la fabrication additive pour son ensemble unique de propriétés. Le PVDF est largement utilisé dans des applications de haute technologie, comme les équipements de traitement chimique, les semi-conducteurs, les batteries lithium-ion et d'autres applications électriques, électroniques et énergétiques. Dans l'impression 3D, le PVDF présente une très faible déformation et résiste aux conditions les plus extrêmes, même aux radiations nucléaires. Les panneaux en PVDF sont utilisés sur les sondes spatiales et les satellites.

                  ► Propriétés thermiques élevées jusqu'à 150 °C
                  ► Très faible gauchissement
                  ► Excellente résistance à la plupart des produits chimiques, y compris les hydrocarbures entièrement halogénés, les alcools, les acides et les bases.
                  ► Non-hygroscopique, n'absorbe pas l'humidité.
                  ► Stabilité hydrolytique à long terme
                  ► Résistant aux radiations nucléaires
                  ► Très bonne résistance à l'abrasion

                  Prix : Filament (1kg) à partir de 250€

                   

                  PPSU (polyphenylsulfone)


                  Matériaux PPSU par Intamsys et pièces imprimées en 3D en PPSU par Solvay, Stratasys et Intamsys.


                  Les polymères sulfonés (PPSU, PESU, PSU) constituent une autre famille de plastiques de haute performance qui combinent une excellente stabilité thermique, une résistance et une ténacité élevées, une excellente stabilité hydrolytique, une transparence et une bonne résistance aux fissures dues aux contraintes environnementales. Ils se distinguent de la famille PEAK par leurs températures de déviation thermique élevées (similaires à celles du PEI) et sont les seuls thermoplastiques qui restent transparents à des températures très élevées (204 ºC), même après une exposition de longue durée. Les PPSU offrent des performances durables dans l'eau chaude et la vapeur, même sous pression, de sorte qu'ils sont souvent utilisés pour remplacer le laiton dans les applications d'eau chaude sous pression. Ils peuvent être utilisés comme une alternative légère au métal dans les cas et plateaux de stérilisation chirurgicale, les essais d'implants, les poignées d'instruments chirurgicaux et une multitude d'autres dispositifs médicaux et dentaires. Le PPSU est également largement utilisé dans les applications de restauration et les intérieurs de cabine d'avion.

                    ► Résistance exceptionnelle à long terme au fluage à des températures allant jusqu'à 150 ºC.
                    ► Facile à traiter
                    ► Excellente résistance à l'usure sous charge continue à haute température
                    ► Résistant aux acides, aux alcalis, aux huiles, aux graisses, aux hydrocarbures aliphatiques et aux alcools.
                    ► Bonne clarté optique
                    ► Très bonne résistance à l'hydrolyse et à la stérilisation
                    ► Biocompatibilité
                    ► Excellentes propriétés d'isolation
                    ► Rigidité exceptionnelle même à haute température
                    ► Faible résistance aux UV

                    Prix : Filament (1kg) à partir de 500€

                    À quoi servent les plastiques haute performance ?


                    La voiture de course électrique E0711-11 EVO contient plus de 90 pièces imprimées en polymères haute performance sur des imprimantes 3D Intamsys (Source : Intamsys).


                    Les plastiques hautes performances sont le plus souvent utilisés pour des pièces fonctionnelles à usage final, en raison de leur coût élevé. Ils sont également utilisés comme prototypes fonctionnels pour des pièces qui seront finalement fabriquées en métal, en verre, ou des pièces qui seront produites en masse, par exemple, des prototypes de pièces automobiles. Prisés aujourd'hui pour remplacer les métaux coûteux et non durables sur le plan environnemental, comme le cuivre, le laiton, le titane et l'aluminium, les polymères haute performance résistent à l'oxydation, à la corrosion et à la contamination chimique.

                    Le prototypage rapide dans le sport automobile

                    Dans un secteur qui repose sur de multiples itérations de conception expérimentale, la possibilité d'imprimer rapidement une pièce prototype capable de résister aux rigueurs des tests fonctionnels permet aux équipes de course d'innover plus rapidement. En outre, un plus grand nombre de pièces imprimées en 3D à haute performance et destinées à une utilisation finale se retrouvent dans les voitures de course électriques en raison de la non-conductivité du matériau.


                    Le matériau HexPEKK d'Hexcel est utilisé pour créer une gamme de composants aérospatiaux plus légers que le métal (Source : Hexcel)

                    Allégement dans l'aérospatiale

                    Il a été démontré que le remplacement des pièces métalliques par des pièces en plastique résistant et à haute performance permet de réduire considérablement le poids des avions, des engins spatiaux et des satellites, ce qui permet d'économiser du carburant et de l'espace. Les plastiques hautes performances, associés à la conception générative, ont permis de créer des pièces, telles que des supports et des parois, qui utilisent moins de matériaux mais sont plus résistantes que l'aluminium. Les plastiques haute performance, tels que le PEEK, dont la plage de température d'utilisation va de -184 ºC à 149 ºC, sont idéaux pour les conditions difficiles de l'espace.

                    Moules et outillage de production rapide

                    L'impression 3D de moules d'injection et d'outillages complexes, en particulier pour les productions uniques ou en petites séries, est nettement moins coûteuse et plus rapide que le fraisage CNC. Il n'y a pas non plus de gaspillage de matériau et l'impression 3D rapide permet aux fabricants d'offrir davantage d'options personnalisées à leurs clients.

                    Les fabricants découvrent que les plastiques haute performance sont plus qu'un équivalent des métaux dans les processus d'assemblage de machines-outils, et qu'ils peuvent être imprimés en interne ou par un bureau de service d'impression 3D plus rapidement et moins cher.


                    Hymer camper vans a travaillé avec BASF Forward AM pour alléger son véhicule conceptuel en utilisant des matériaux haute performance pour les plus de 100 composants imprimés en 3D du van (Source : Forward AM).

                    Implants spécifiques aux patients

                    Les polymères hautes performances biocompatibles sont utilisés dans une myriade d'implants conçus sur mesure pour répondre aux besoins spécifiques d'un patient. La fabrication additive produit ces pièces plus rapidement et avec moins de déchets de matériaux que le fraisage. Le PEEK imprimé en 3D a été utilisé chez des patients pour des remplacements osseux en raison de son ostéo-intégration.


                    La dernière génération de prothèses de hanche sans ciment pour une utilisation permanente chez les chiens et les chats de la société suisse KYON. Au cœur de cette technologie innovante se trouve un partenaire de friction fabriqué à partir du biomatériau Vestakeep PEEK d'Evonik (Source : KYON).

                    Systèmes de plomberie et de traitement de l'eau

                    Les polymères solides et hautes performances peuvent remplacer le laiton dans les applications d'eau chaude sous pression et offrent des avantages distincts par rapport au métal en éliminant la corrosion et la contamination par les métaux lourds et en fournissant des solutions de matériaux plus durables. Leur excellente résistance à l'oxydation offre des performances durables pour les applications qui nécessitent une exposition continue à l'eau chaude chlorée ou à l'eau de mer.


                    La distillerie de vodka Our/Vodka a choisi des pièces imprimées en 3D en PEI par 3DVerkstan pour ses processus de stérilisation (Source : MiniFactory).


                    Comment imprimer avec des matériaux de haute performance



                    Les imprimantes 3D industrielles avancées d'aujourd'hui éliminent une grande partie des tâtonnements liés à l'impression de matériaux avancés (Source : AON3D).

                    Pour que vos pièces finales présentent les caractéristiques souhaitées, il faut bien sûr que vous les imprimiez correctement. Pour les matériaux à haute performance, vous devrez prêter une attention particulière non seulement à la température de votre extrémité chaude, de votre lit chauffé et de votre chambre chauffée, mais aussi à votre vitesse d'impression et à la rapidité ou à la lenteur avec laquelle vous laissez refroidir vos pièces. Ces variables sont également liées à ce que vous imprimez, c'est-à-dire à l'épaisseur de vos parois et à la faible hauteur de vos couches.

                    Mais ne vous laissez pas décourager par les exigences techniques des matériaux haute performance. Le fait est que les imprimantes 3D industrielles haute température d'aujourd'hui ont automatisé une grande partie de ces périmètres d'impression et de nombreuses entreprises sauront conseiller sur la manière d'imprimer avec des matériaux haute performance. Les fabricants d'imprimantes, tels que Stratasys, Roboze, Aon3D et bien d'autres, ont passé des centaines d'heures à imprimer avec des matériaux haute performance sur leurs machines et ils peuvent vous éviter de perdre du temps et des matériaux coûteux en vous recommandant les matériaux idéaux et en vous donnant les paramètres d'impression pour leurs machines.

                    Si votre imprimante n'est pas spécifiquement conçue pour les matériaux haute performance, vous devrez expérimenter davantage pour obtenir des impressions de qualité. Si votre imprimante ne peut pas maintenir une température constante de la partie chaude supérieure à 300 ºC, une température constante du lit supérieure à 100 ºC et une chambre activement chauffée supérieure à 90 ºC, les matériaux hautes performances ne vous apporteront que de la frustration.

                    La préparation et l'entretien des matériaux sont également essentiels. Les polymères haute performance doivent être conservés dans un environnement contrôlé et souvent séchés pendant de longues périodes avant d'être traités.


                    Une chambre chauffée est l'une des caractéristiques les plus importantes lorsque vous recherchez les meilleurs résultats possibles pour vos pièces imprimées (Source : MiniFactory).



                    Toutes les marques de polymères haute performance ne sont pas les mêmes



                    Pièces industrielles imprimées en 3D avec des matériaux haute performance (Source : Intamsys)

                    Il existe des entreprises de produits chimiques spécialisées qui fabriquent les polymères, puis des fabricants de filaments qui utilisent ces polymères dans les filaments. Parfois, vous pouvez acheter des matériaux haute performance directement auprès d'une société de chimie spécialisée, comme Evonik ou Solvay. D'autres fois, vous trouverez ces polymères spécialisés de marque - VestaKeep, Ketaspire, Kynar, Kepstan - dans les produits d'autres fabricants de filaments décrits comme des filaments "basés sur" un polymère de marque ou "fabriqués avec" un polymère de marque. Quelle est donc la différence ?

                    Eh bien, un point important à garder à l'esprit lors de l'achat de matériaux haute performance est de savoir si la pièce finale que vous fabriquez sera utilisée dans une industrie réglementée ou non. Ce n'est pas parce que le PPSU est biocompatible que tous les filaments de PPSU sont certifiés et approuvés comme étant médicalement biocompatibles. Les fabricants de matériaux doivent soumettre leurs matériaux spécifiques à des organismes de réglementation pour obtenir des approbations.

                    Par exemple, le filament Solvay Radel PPSU est approuvé par la FDA pour un contact avec la peau 24 heures sur 24 dans le cadre d'applications médicales, mais tous les filaments PPSU ne sont pas approuvés par la FDA.

                    Le plus sûr est de travailler avec l'une des entreprises de produits chimiques spécialisés ci-dessous pour en savoir plus sur les propriétés, les utilisations et les distributeurs agréés de leurs matériaux. Avec les produits de marque ci-dessous, vous recevrez également des directives d'impression détaillées.


                    Evonik

                    ► Infinam PA / TPA / TPC / PEEK
                    ► VestaKeep PEEK


                    BASF / Forward AM

                    ► Adsint PA12
                    ► Ultrafuse PA / TPC / TPE / PPSU
                    ► Ultrasint PA (poudre)
                    ► XStrand (acheté à Owens Corning en 2020) PA / PC

                    Arkema

                    ► Rilsan PA 11
                    ► Kepstan PEKK
                    ► Kynar 460 PVDF