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Une étude de faisabilité sur le recyclage des pièces thermoplastiques usagées et des copeaux issus de l’impression 3D

Impression réalisée avec le système très grand format Big Area Additive Manufacturing (BAAM®

Impression réalisée avec le système très grand format Big Area Additive Manufacturing (BAAM®) (crédits photo Sabic)

En dépit de ses nombreux bienfaits, comme celui d’économiser sur la matière première en utilisant la juste quantité de matériau nécessaire, à fabriquer au plus près du besoin, sans oublier sa formidable capacité d’allégement rendu possible par sa liberté de conception, la fabrication additive n’est pas aussi vertueuse et respectueuse de l’environnement qu’on pourrait le penser. Quand bien même les matériaux écoresponsables se développent de plus en plus, l’impression 3D à la demande et le prototypage rapide conduisent à une augmentation du nombre de produits de consommation jetables. Les supports d’impression 3D qui ne peuvent pas toujours être traités génèrent aussi beaucoup de déchets difficilement récupérables.

Le manque criant de structuration de la filière de recyclage pour les matériaux de fabrication additive, conduit à des pertes d’importantes, qui ont également un impact direct sur le coût de la matière. C’est dans ce context et dans le but d’améliorer la circularité de la fabrication additive, en l’occurrence grand format (FAFG), que SABIC, un leader mondial de l’industrie chimique, et Local Motors, un fabricant de véhicules de nouvelle génération, ont réalisé une étude conjointe sur la faisabilité du recyclage des pièces thermoplastiques usagées et des copeaux issus du processus d’impression 3D.

L’étude a exploré des alternatives plus durables à la mise en décharge de grandes pièces imprimées en prévision d’une adoption plus large du MFT. Celle-ci comprend l’analyse de l’imprimabilité et des propriétés mécaniques du composé renforcé LNP™ THERMOCOMP™ AM de SABIC, utilisé par Local Motors, après avoir été imprimé, récupéré, broyé et retraité sous forme de granulés. L’étude a déterminé que les matériaux provenant des pièces et des déchets de post-production peuvent potentiellement être réutilisés dans l’AMF ou dans d’autres processus, tels que le moulage par injection ou l’extrusion, dans des proportions pouvant atteindre 100 %. Des informations qui peuvent aider à identifier une voie possible vers la circularité et un cycle de vie étendu pour les matériaux utilisés par l’industrie du LFAM.

« Alors que l’adoption de la fabrication additive grand format s’accélère, il est essentiel de trouver des alternatives durables à la mise en décharge des grandes pièces imprimées« , a déclaré Walter Thompson, ingénieur principal en développement des applications, SABIC. « SABIC et Local Motors ont étudié l’aspect pratique de l’utilisation des rebuts broyés mécaniquement et des pièces en fin de vie générées par la FAAF. Notre étude a montré un grand potentiel pour la réutilisation de ces matériaux et marque une première étape dans le soutien de la réutilisation au sein de la chaîne de valeur. »

« Construire des véhicules de la prochaine génération signifie adopter des processus de fabrication de la prochaine génération« , a déclaré Johnny Scotello, directeur du produit technique chez Local Motors. « Nous sommes fiers de travailler avec SABIC pour rendre la fabrication additive grand format plus durable. Apporter de la valeur aux déchets ou aux pièces en fin de vie est un défi difficile à relever, mais les résultats de cette étude laissent entrevoir un avenir radieux pour les produits durables et circulaires. »

Les défis de la réutilisation des pièces imprimées de grande taille

Système Big Area Additive Manufacturing (BAAM®)

Système Big Area Additive Manufacturing (BAAM®) (crédits photo Sabic)

À l’heure actuelle, il n’existe pas de chaîne de valeur établie pour la récupération des pièces et des déchets du MFT en post-production. Cette séquence complexe d’étapes comprend la gestion de la logistique de localisation, de collecte et de transport des grandes pièces vers une installation capable de nettoyer, couper, rebroyer et réutiliser le matériau.

Un autre défi de la réutilisation des matériaux LFAM souligne l’étude est la dégradation potentielle due aux multiples cycles thermiques (broyage, re-pelletisation, re-compoundage, etc.). ). Chaque étape ajoute à l’historique thermique cumulatif, ce qui tend à briser les chaînes de polymères et à réduire la longueur des fibres et peut affecter les performances. Ces facteurs doivent être pris en compte lors de l’identification des possibilités de réutilisation des matériaux.

Méthode d’étude et résultats

L’étude SABIC-Local Motors comprend des évaluations de l’imprimabilité, du débit et des propriétés mécaniques. Afin d’évaluer l’imprimabilité, six échantillons de matériau du composé LNP THERMOCOMP AM ont été préparés, contenant respectivement 0, 15, 25, 50, 75 et 100 % de contenu retraité. Ces échantillons ont fait l’objet d’un suivi des changements de débit et de taux de fusion sur la machine Big Area Additive Manufacturing (BAAM®) de SABIC de Cincinnati Inc. située dans le Polymer Processing Development Center de la société à Pittsfield, Massachusetts. Chaque échantillon a été utilisé pour imprimer un hexagone à paroi simple, qui est la géométrie typique des pièces d’essai de SABIC pour le traitement et la caractérisation des matériaux. Tous les échantillons ont été bien imprimés, avec une surface lisse et brillante et des couches droites et régulières qui ne présentaient aucun problème d’écoulement du matériau.

Pour l’évaluation des propriétés mécaniques, des spécimens ont été découpés dans chaque pièce hexagonale imprimée. Ils ont été testés pour les propriétés de traction en utilisant la méthode d’essai D638 comme ligne directrice, et pour le module de flexion en utilisant un test de pliage en trois points suivant une méthode d’essai ASTM D-790 modifiée. Les résultats ont montré d’excellentes propriétés de traction dans les échantillons de pièces contenant de faibles pourcentages de matière rebroyée et seulement des baisses progressives dans les échantillons contenant des pourcentages plus importants de matière rebroyée.

Quant à l’échantillon contenant 100 % de matière rebroyée, celui-ci n’a connu qu’une réduction de 20 % de ses propriétés de traction dans le sens X et de 15 % dans le sens Z. Pour les propriétés de flexion, la même tendance graduelle s’est produite, avec une diminution du module de flexion de seulement 14 % dans la direction X et de 12 % dans la direction Z pour l’échantillon contenant 100 % de matière rebroyée. Comme prévu, les essais de traction et de flexion ont montré une diminution de la résistance mécanique à mesure que le pourcentage de rebroyé augmentait. Cette constatation est typique des matières rebroyées utilisées dans d’autres procédés comme le moulage par injection et l’extrusion.

Alexandre Moussion