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Guide d’achat du filament 3D

Les principaux matériaux utilisés actuellement en impression 3D se répartissent en deux grandes familles, les plastiques et les métaux, auxquels viennent s’ajouter les céramiques et les matériaux organiques. Bien entendu, ils ne sont pas compatibles avec toutes les techniques d’impression 3D.

Le procédé de frittage laser imprime à partir de poudre. C’est l’une des technologies de fabrication additive qui offre la plus grande diversité de matières premières : poudre de nylon, de métal (titane, acier inoxydable, acier d’outillage maraging) et de céramique.

Les techniques EBM et EBFM sont spécialisées dans la fabrication de pièces en métal, tandis que la stéréolithographie utilise des polymères liquides, généralement des plastiques aux propriétés mécaniques variées.

Les imprimantes personnelles impriment essentiellement à partir de deux types de plastiques : l’ABS et le PLA. Mais certains modèles à dépôt de filament fondu (FDM) peuvent aussi accepter des matières alimentaires : chocolat, fromage, glaçage au sucre, entre autres. La technologie FDM est également employée pour l’impression en béton.

LES PLASTIQUES

Très employés par l’impression 3D, les plastiques sont des polymères qui peuvent être mis en forme sous l’effet de la chaleur, comme l’ABS, le PLA ou le T¨PU, ou de la lumière, comme les résines et les polyamides.

LES ABS ET SIMILI-ABS

Appartenant à la famille des thermoplastiques, l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène) est l’un des matériaux les plus populaires de l’impression 3D.

Fondant entre 200 et 250 °C, l’ABS peut supporter des températures relativement basses (jusqu’à –20 °C) et élevées (80 °C). Lorsqu’il est imprimé par la technique du dépôt de filament fondu, il nécessite l’utilisation d’un plateau d’impression chauffant (entre 90 et 105 °C). Contrairement au PLA, il n’est pas biodégradable. Il résiste bien aux chocs grâce à la structure élastomère du polybutadiène

Il existe en réalité de nombreux types d’ABS, aux propriétés multiples, dont le conditionnement diffère selon la technologie d’impression 3D associée. Les imprimantes personnelles à dépôt de filament fondu (FDM) l’emploient généralement en bobines de filament d’1,75 mm ou de 3 mm de diamètre, aux couleurs variées. Des simili-ABS sont aussi utilisés en stéréolithographie, sous forme de polymères liquides, mais également par la technologie PolyJet mise au point par Objet.

LE PLA

Les imprimantes 3D open source qui utilisent la technique FDM n’acceptent généralement que deux types de matériaux : l’ABS et le PLA (polylactic acid, acide polylactique). Ce dernier, fond à une température comprise entre 160 et 220 °C, , contrairement à L’ABS, il ne nécessite pas de plateau d’impression chauffant : l’impression, réalisée à 185 °C, se fait directement sur une plaque en acrylique, voire sur un plateau en bois recouvert d’adhésif. En complément du PLA, certaines imprimantes 3D utilisent un matériau de support, le PVA.

Le PVA (polyvinyl alcohol, alcool polyvinylique) est le plastique qui est généralement utilisé comme matériau de support dans les impressions en PLA ou ABS par dépôt de filament fondu. Biodégradable, il se dissout après impression et trouve de plus en plus d’applications dans les imprimantes à multiples têtes d’impression.

Le PLA possède d’excellentes propriétés environnementales. C’est un plastique issu de l’amidon de maïs, qui n’emploie aucune énergie fossile. Il est biodégradable et compostable (dans un composteur industriel chauffé à plus de 90 °C), ce qui en fait un matériau de plus en plus prisé par les particuliers. En revanche, il est sensible à l’eau : un passage répété en machine à laver ou un séjour prolongé en extérieur risquent d’affadir et d’abîmer un objet en PLA.

Le PLA peut être de différentes couleurs (noir, blanc, jaune, rouge et vert) et même transparent. Acceptant tout type de finition (peinture, vernis, etc.), ce matériau peut notamment servir pour des objets devant être en contact avec des aliments (tasses, bols, assiettes, saladiers…), à condition qu’il soit pur et que la tête d’impression dans laquelle passe le filament soit en acier inoxydable.

LE PET

Nouveau venu parmi les matériaux de l’impression 3D personnelle, le PET (polytéréphtalate d’éthylène) est un plastique de type polyester saturé, issu du pétrole. Plus solide que l’ABS, il est tout indiqué pour l’impression de pièces fonctionnelles qui demandent à la fois solidité et flexibilité : coques de téléphone, accessoires, pièces mécaniques, pièces de robotique…

Le PET est disponible pour l’impression 3D à dépôt de filament fondu. Il se présente sous forme de bobines, comme le PLA ou l’ABS. Mais à la différence de ce dernier, le PET ne nécessite pas de plateau d’impression chauffant et ne dégage pas d’odeur. Il fond à une température d’environ 220 °C.

LES POLYAMIDES

Les polyamides (PA) constituent le matériau de base de la technique du frittage laser. Ils se présentent le plus souvent sous la forme d’une poudre fine, qui peut s’apparenter à de la farine très blanche. Ils comportent de nombreux avantages : ils sont très stables, résistants aux chocs et permettent une grande variété d’applications. Les objets réalisés sont rigides et légèrement flexibles, offrant un grand niveau de détail.

Biocompatibles, les polyamides ont été approuvés pour des contacts alimentaires, à l’exception des aliments à teneur en alcool. Ils sont généralement utilisés pour la production de pièces fonctionnelles et peuvent dans certains cas remplacer le moulage par injection. Ils conviennent notamment à la réalisation d’engrenages et de mécanismes.

Contrairement à l’ABS ou au PLA, imprimés par dépôt de filament, l’impression en polyamide par frittage laser ne provoque pas d’effet d’escalier. La surface est mate et opaque, avec un toucher légèrement granuleux et poreux.

LES RÉSINES

Les résines, dont les propriétés sont multiples et variées, constituent le troisième grand type de matériau couramment utilisé en impression 3D (techniques SLA, PolyJet), après les thermosplastiques, de type PLA et ABS, et les polyamides. Proposées par différents services en ligne (Sculpteo, i.materialise), elles sont disponibles en mat ou brillant, en blanc ou noir.Les post-traitements sont possibles, comme la coloration.

LES PLASTIQUES TRANSPARENTS

Grâce à la transparence de certains thermoplastiques, il est possible de réaliser des objets laissant passer la lumière (lampes) ou permettant de voir au travers (lentilles, verres). Utilisée pour le prototypage, cette transparence sert par exemple à contrôler la circulation d’un fluide. On l’emploie aussi beaucoup dans le monde médical.

Ces matériaux sont compatibles avec les techniques de stéréolithographie, DLP et frittage laser. La stéréolithographie utilise généralement des polymères ayant un rendu transparent, mais plus ou moins opaque et coloré.

LES PLASTIQUES RÉSISTANT À LA CHALEUR

La résistance aux hautes températures fait partie des qualités attendues pour certains types d’impressions 3D. Les pièces internes, telles que les ventilateurs des tours d’ordinateur, ou les prototypes dans lesquels vont passer des gaz ou des liquides chauds requièrent en effet des plastiques qui ne se déforment pas à la chaleur. De même, les moules nécessitent fréquemment l’emploi de plastiques supportant des températures élevées, notamment ceux servant au moulage métal.

Utilisés en stéréolithographie et en frittage laser, ces matériaux sont aussi souvent les plus imperméables à l’eau ou à l’humidité. VisiJet HiTemp, par exemple, est un plastique proposé par 3D Systems qui résiste à l’humidité et à des températures pouvant atteindre 130 °C. De son côté, EnvisionTEC commercialise deux matériaux supportant la chaleur, baptisés HTM140 et HTM140IV. De teinte vert foncé, le premier est adapté à la fabrication de moules non métalliques. Le second, de couleur blanc ivoire opaque, résiste jusqu’à des températures de 140 °C.

LES PLASTIQUES FLEXIBLES ET LES CAOUTCHOUCS

Les matériaux flexibles ont fait leur apparition assez récemment dans l’impression 3D. Ils permettent de reproduire le comportement et le toucher du caoutchouc, ou de la gomme, et de créer des objets souples. Ils sont bien adaptés à des modèles de démonstration ou de présentation, et employés notamment pour la réalisation de boutons, de poignées, de joints et de tuyaux.

Le TPU est un thermoplastique élastomère qui permet d’imprimer des pièces flexibles à partir d’une imprimante personnelle. S’extrudant à une température comprise entre 210 et 225 °C,

LE POLYPROPYLÈNE ET LES SIMILI-POLYPROPYLÈNES

Le polypropylène (PP) est un plastique très résistant, relativement flexible et capable d’absorber les chocs. Au quotidien, on le trouve notamment dans les pièces devant s’emboîter facilement : ceintures de sécurité, bouchons de bouteille, boîtiers de CD-Rom, coques de téléphone…

L’ALUMIDE

L’alumide est une poudre de polyamide mélangée à de l’aluminium, qui offre une très grande solidité tout en demeurant flexible. Proche du métal par l’aspect, elle possède une meilleure résistance à la chaleur que la plupart des autres plastiques, puisqu’elle peut supporter une température maximale de 172 °C.

Utilisée dans la production de pièces d’apparence métallique, l’alumide est aussi employée par l’industrie automobile pour des éléments ne nécessitant pas de contraintes particulières de sécurité. Ce matériau entre également dans la fabrication de moules pour des petites séries. On le trouve en outre sur des modèles de présentation, pour des démonstrations dans le monde éducatif ou la recherche, notamment.

LES METAUX

Les métaux constituent la deuxième grande famille de matériaux actuellement utilisés en impression 3D. Aluminium, titane, acier inoxydable, cobalt, fer, mais aussi bronze, or et argent sont compatibles. Les recherches avancent à grands pas dans ce domaine et il est désormais possible de produire des pièces aux propriétés physiques plus intéressantes que celles réalisées avec la fabrication soustractive traditionnelle. Des chercheurs ont par exemple développé une technique qui permet de modifier jusqu’à la structure atomique même du métal utilisé, créant ainsi un métal se solidifiant plus rapidement et plus uniformément lors de son passage à l’impression !

L’ALUMINIUM ET SES ALLIAGES

L’aluminium utilisé en impression 3D, est un alliage classique qui autorise des moulages fins et des géométries complexes. Il contient du silicium et du magnésium, ce qui le rend extrêmement solide et capable de supporter de fortes charges. Très léger et résistant bien à la chaleur, ce matériau est notamment employé sur les moteurs de course et dans l’aérospatiale.

LE COBALT-CHROME ET SES ALLIAGES

Les alliages à base de cobalt, et en particulier le cobalt-chrome, sont utilisés depuis longtemps par les procédés de moulage à cire perdue. Désormais, ils peuvent être employés en fabrication additive, notamment grâce à la technique EBM. Alors que la majorité des moulages sont effectués à l’air libre, cette technique présente l’intérêt de créer des pièces sous vide, ce qui offre un meilleur contrôle de l’environnement de production et permet de réaliser des objets de meilleure qualité.

les normes CE.

L’ACIER INOXYDABLE

L’acier a été le premier métal disponible commercialement pour la fabrication additive. Certains acteurs de l’impression 3D, comme ProMetal, ExOne et bien d’autres, se sont spécialisés dans le type inoxydable de ce matériau, plus communément appelé inox. Le constructeur EOS propose ainsi deux types d’aciers inoxydables, GP1 et PH1, qui présentent de bonnes propriétés mécaniques, notamment une forte malléabilité lors du passage du laser.

L’ACIER D’OUTILLAGE MARAGING

Résistant à la rupture, ce type d’acier est surtout utilisé pour fabriquer de l’outillage rapide et des moules.

LE TITANE ET SES ALLIAGES

Le titane et ses alliages se caractérisent par leur excellente solidité, un faible poids et une résistance à la corrosion hors du commun. C’est pour ces raisons que l’on retrouve ce métal dans beaucoup de domaines d’exigence comme la chirurgie, la médecine, l’aérospatiale, l’automobile, l’industrie chimique, l’alimentation électrique, l’extraction de pétrole ou de gaz…

Cependant, les techniques traditionnelles de fabrication en titane s’avèrent complexes et coûteuses. Ce métal est en effet difficile à travailler car il durcit rapidement, ce qui nécessite des outils de haut niveau.

LES MÉTAUX PRÉCIEUX

L’argent, l’or, le bronze et le platine sont des métaux qui peuvent être utilisés en fabrication additive. On les coule dans un moule préalablement imprimé à cire perdue, une technique très courante dans le domaine de la bijouterie de luxe.

L’argent est un métal très malléable qui conduit très bien l’électricité et la chaleur. Lorsqu’il est poli, l’objet obtenu peut être particulièrement brillant. La finition s’effectue généralement à la main, d’autant plus que les objets imprimés en argent sont souvent de petite ou très petite taille. Sans finition, ils peuvent présenter un aspect assez rugueux et inégal (les lignes d’impression seront souvent visibles, par exemple).

Il convient d’éviter des creux trop profonds ou des repoussés trop grands. En effet, les gravures trop profondes sont généralement problématiques au moment de la création du moule. Quant aux repoussés, ils peuvent provoquer des cassures lors de la production de l’objet en argent. Il est donc recommandé d’éviter les formes trop fines et de respecter une épaisseur minimale de 0,8 mm pour les « murs » (les parois de l’objet). S’il s’agit d’une bague, l’épaisseur de l’anneau doit être d’au moins 1 mm, sinon il risquerait de se déformer rapidement, l’argent étant un matériau relativement souple.

L’impression d’objets en or répond au même procédé que l’argent. L’or fondu est coulé dans un moule imprimé en cire, puis poli manuellement. Il peut prendre différentes nuances : jaune vif, légèrement rose ou blanc.

CERAMIQUES, SABLES ET BETONS

À l’heure actuelle, très peu de machines sont capables d’imprimer en céramique. Le procédé est assez complexe, ce qui suppose d’être familiarisé avec un certain nombre de règles de design

LES CIRES

Les cires sont utilisées en impression 3D pour réaliser des moules servant ensuite à la fabrication de pièces en métal, de bijoux ou encore d’appareils dentaires. Cette technique permet d’obtenir des pièces plus précises qu’avec des méthodes traditionnelles.

LE BOIS

Le bois fait désormais partie des matériaux utilisables en impression 3D personnelle. Ainsi, le filament Laywoo-D3, composé à 40 % de bois recyclé, s’emploie sur les imprimantes à dépôt de filament fondu, en se présentant sous forme de bobines comme le PLA ou l’ABS. Il s’imprime à une température comprise entre 185 et 230 °C selon le résultat souhaité : plus le filament chauffe, plus il noircit.

LE PAPIER

Le papier est de plus en plus courant en impression 3D, et tout particulièrement via le procédé de fabrication par laminage par dépôt sélectif

LES MATIÈRES ALIMENTAIRES

Les imprimantes à dépôt de filament fondu peuvent facilement s’adapter à des matériaux alimentaires : il suffit de remplacer l’extrudeur par une seringue, remplie d’un aliment réduit en pâte. Il devient alors possible de créer des formes à partir de matières diverses comme du chocolat, du fromage, de l’houmous, du glaçage pour gâteaux et même des coquilles Saint-Jacques !

L’impression 3D de cellules vivantes constitue aussi un champ d’exploration pour les particuliers. De la même manière qu’on dépose un filament fondu selon la technique FDM, il est ainsi possible de fabriquer, avec quelques centaines d’euros, une imprimante qui dépose des cellules afin de créer des formes organiques.

LES MATIÈRES CONDUCTRICES

L’impression 3D de circuits électroniques est l’un des grands terrains d’exploration, à la fois dans le monde industriel et en fabrication personnelle. La recherche avance pour mettre au point des matériaux de nouvelle génération, pouvant intégrer de l’électronique, réagir à leur environnement et adapter leur structure aux contraintes extérieures

Schéma d’une microbatterie lithium-ion imprimée en 3D par superposition de couches formant l’anode (en rouge) et la cathode (en bleu).

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