Certains pourraient croire que le plastique est le seul matériau utilisé en impression 3D, hors un très large éventail de matières est disponible avec cette technologie. Il faut savoir que chaque procédé d’impression 3D correspond à un type de matériau bien précis. Si les imprimantes 3D de type FDM (dépôt de matière fondue) fonctionnent principalement avec des filaments plastiques, les machines SLA (stéréolithographie) utilisent des résines liquides, et les systèmes à laser, des poudres polymères ou métalliques. En impression 3D, on distingue 2 grandes familles de matériaux : les plastiques et les métaux, auxquels il faut ajouter les céramiques (silice, alumine, plâtre…) mais aussi les matières organiques (cires, tissus et cellules). Nous allons voir ici les caractéristiques et les utilisations des principaux matériaux utilisés en fabrication additive.
Les matériaux plastiques
Parmi les thermoplastiques les plus employés en FDM (dépôt de matière fondue), on retrouve 2 consommables dominants : le PLA et l’ABS, des polymères qui deviennent mous et malléables lorsqu’ils sont chauffés et qui reviennent à un état solide au moment de refroidir.
PLA
Le PLA est le consommable le plus couramment utilisé en impression 3D FDM à dépôt de fil. Ecologique car d’origine végétale (amidon de maïs, racine de manioc et betterave) ce plastique biodégradable et non toxique, dégage il une légère odeur sucrée pendant son impression. Si le PLA est pur et que l’extrudeur de l’appareil est en acier inoxydable, alors celui-ci peut être utilisé pour imprimer des objets destinés à être en contact avec des aliments tels que des bols ou des tasses par exemple.
Une bobine de 1kg de PLA de 1,75 mm mesure en moyenne 330 mètres et 115 mètres en 3mm.
Température d’impression : entre 190 et 210 °C / Plateau chauffant optionnel
Densité : 1,25g/cm3
Points forts : Ne dégage pas de mauvaise odeur et facile à imprimer
Points faibles : Sensible à l’humidité et à la chaleur
ABS
Fabriqué à base de pétrole il s’agit du matériau le plus polyvalent car compatible avec presque toutes les imprimantes 3D, y compris les dérivés de RepRap et ceux de MakerBot, Ultimaker, Bits de Bytes, Airwolf3D… L’ABS qui est soluble dans l’acétone permet de souder les pièces métalliques avec une goutte ou deux, ou de lisser et créer un effet brillant par brossage ou trempage pièces entières dans l’acétone. Sa force, sa souplesse et sa meilleure résistance à la température font de lui le matériau préféré pour les ingénieurs, et les applications professionnelles.
Une bobine de 1kg d’ABS de 1,75 mm mesure en moyenne 410 mètres et 140 mètres en 3 mm.
Température d’impression : entre 220 et 260 °C / Plateau chauffant entre 60 et 110°C
Densité : 1,01g/cm3
Points forts : Matériau polyvalent et particulièrement résistant, supporte bien les écarts de température.
Points faibles : Odeurs pendant l’impression et parfois sujet au phénomène dit de warping (décollement des bords de la pièce et déformation).
- Pour ces deux consommables, il faut compter en moyenne 20€ la bobine de 1kg. Le prix varie beaucoup en fonction de la couleur, du type de filament et de la marque, s’il s’agit ou non d’un filament propriétaire, certaines imprimantes fonctionnant avec leurs propres matériaux.
PVA et HIPS : les matériaux de support
Pour une impression 3D de type FDM (dépôt de matière fondue), il faudra prévoir ce que l’on appelle un raft (ou ratier). Il s’agit d’un support qui permet de soutenir la pièce sur le plateau pendant l’impression pour qu’elle reste stable. Celui-ci se présente sous la forme d’une grille qui permet une meilleure accroche. Il existe aussi des structures de soutien (voir photo ci-dessous), des sortes d’échafaudage qui permettent de soutenir les parties en surplomb comme le bras d’une figurine par exemple.
Les matériaux les plus utilisés sont le PVA et l’HIPS (high-impact polystyrene) qui tous deux peuvent se dissoudre dans de l’eau ou avec du D-Limonene (un solvant) en l’espace de 24h. Ce dernier s’utilise avec de l’ABS qui possède les mêmes températures d’extrusion et de plateau, de ce fait ce matériau ne concerne que les imprimantes 3D à double extrudeur.
Température d’impression du PVA : entre 190 et 210 ° C / plateau chauffant optionnel
Points forts : facile à imprimer et inodore
Points faible : sensible à l’humidité
Température d’impression de l’HIPS : entre 220 et 260 °C / plateau chauffant entre 60 et 110 °C
Points forts : Bonne finition et généralement moins cher que le PVA
Points faibles : Parfois sujet au warping
La poudre de polyamide
Ce matériau est notamment utilisé pour imprimer des prototypes en plastique blanc, selon un procédé d’impression 3D par frittage laser. Cette technique reposer sur l’utilisation d’un faisceau laser qui vient sculpter votre objet en fusionnant les grains qui se solidifient sous l’effet de la chaleur.
Le polissage permet de finir la pièce. Cette poudre offre un grand niveau de détail et donne aux impressions un aspect sableux, granuleux et légèrement poreux. Par conséquent un polissage est souvent nécessaire. Les pièces peuvent être ensuite colorées en les plongeant dans un bain de teinture adapté. Surtout utilisée pour la fabrication de mécanismes et d’engrenages, elle est également compatible pour des objets à contacts alimentaires.
- Entre 50 et 100 € le kg
La poudre d’alumide
L’alumide est un mélange de polyamide et d’aluminium. Ce matériau offre l’avantage de pouvoir réaliser des pièces à la fois très solides et très flexibles avec une importante résistance à la chaleur. D’un aspect proche du métal, son impression se fait par frittage laser avec des particules d’alumine de 60 µm (micromètres). Les objets imprimés avec nécessitent ensuite divers finitions telles que le polissage ou le meulage.
La résine liquide
Diverses technologies d’impression 3D par « stéréolithographie », telles que SLA, DLP ou PolyJet, utilisent des résines liquides photosensibles. On appelle ainsi les imprimantes 3D qui utilisent une source de lumière telle qu’un laser, un projecteur ou une lumière UV pour transformer divers matériaux liquides en plastique solide.
Les pièces imprimées selon ce procédé se caractérisent par des objets très détaillés avec une surface lisse. Bien qu’offrant une palette de couleurs plus restreinte que d’autres procédés tels, l’impression 3D résine dépasse désormais les simples teintes de base telles que le noir, le blanc, le gris et le transparent. On trouve désormais un plus large éventail de couleurs telles que le rouge, bleu, jaune et le vert. En revanche, il convient de souligner que les capacités offertes par les technologies industrielles reposant sur des procédés à jets de matière ou de liant diffèrent grandement. La technologie Polyjet de Stratasys, par exemple, est capable de combiner des millions couleurs, qui plus est photoréalistes
Des résines plus avancées existent pour des applications techniques spécifiques, comme la dentisterie (où la biocompatibilité est primordiale) ou l’ingénierie. On observe également certaines avancées avec l’apparition de résines à haute viscosité visant à répondre aux besoins des industriels pour des pièces plus techniques.
Côté finition, enfin, précisions enfin que l’utilisation de résines en impression 3D nécessite le plus souvent un processus de post-traitement, où les pièces doivent être nettoyées à l’alcool isopropylique, puis durcies pour des résultats optimaux.
- Le prix de ces résines est très variable : entre 100 € et 600 € le litre. (pour l’imprimante Form2 de Formlabs par exemple comptez environ 110€ la recharge de 1L.)
Les cires
La cire est composée de polymère et fond comme les autres plastiques. Ce matériau est principalement utilisé en bijouterie et en dentisterie pour la création de moules où son ensuite coulés d’autres matériaux comme du métal ou de la céramique.
Ce consommable à l’avantage de produire des pièces plus précises qu’avec les méthodes traditionnelles, mais aussi une meilleur qualité de surface que le FDM. Il confère en effet aux pièces un aspect lisse sans porosité en limitant les craquelures et permet de reproduire des produits fins à l’image des alvéoles d’un nid d’abeilles. Le rendu est quasi-parfait. La solidité et sa souplesse sont ses points faibles.
L’une des cires les plus connues du marché est la gamme Visijet de 3D Systems. De couleur verte, grise, ou bleue, cette résine calcinable permet de fabriquer des moules pour la fonderie. Citons également la Dentcast qui se destine aux moules dentaires.
Les poudres métalliques
Après les plastiques, les métaux sont les matériaux les plus employés en impression 3D et essentiellement par les industriels. En tête des utilisations on retrouve le titane et l’acier inoxydable (inox), viennent ensuite l’aluminium, le cobalt, le fer et les métaux précieux tels l’or et le platine. La fabrication additive à cette capacité à pouvoir produire des pièces métalliques aux géométries plus complexes qu’avec les techniques de fabrication soustractives telles que le fraisage ou par moulage.
Le plus souvent les objets en métal sont imprimés à partir de poudres métalliques fusionnées avec un laser (procédé DMLS). En combinant l’impression 3D à l’optimisation topologique, on obtient des pièces beaucoup plus légères que des pièces traditionnelles et même plus résistantes, grâce à des géométries optimisées et l’absence de fixations. Cette capacité intéresse particulièrement les constructeurs aéronautiques et spatial, et de l’automobile, dans un soucis de performance et d’économie de carburant.
L’acier inoxydable
Plus connu sous l’appellation « d’inox », l’acier inoxydable a été le premier métal à être commercialisé pour la fabrication additive. Comme son nom le suggère il possède des propriétés mécaniques de haute résistance à la corrosion.
Parmi les plus connus on peut citer le M1, le PH1 ou le StainlessSteel GP1 du constructeur EOS, une poudre fine d’acier inoxydable réputée pour sa grande résistance à la corrosion et son excellente ductilité (capacité à se déformer sans rompre) sans aucun traitement ultérieur.
- Entre 90 et 200 € le kg.
L’acier d’outillage marging
L’acier d’outillage maraging est un acier inoxydable martensitique. Sous groupe des aciers inoxydables, il se caractérise par une grande solidité et dureté, obtenues après un traitement ultérieur thermique. Cet acier se destine avant tout à la fabrication d’outillage rapide (découpage, extrusion…) et de moules dans les domaines de l’aéronautique, l’astronautique et l’automobile.
Là encore on peut citer le fabricant EOS et son acier martensitique MS1, capable de produire des pièces d’une résolution supérieure à celui de l’acier d’outillage SLS A6.
Le titane
Les pièces imprimées à partir de titane ou de ses alliages sont réputées pour leur légèreté, leur solidité et leur résistance à la corrosion très élevée. Les techniques traditionnelles appliquées à ce matériau ont l’inconvénient d’être coûteuses et moins fiable que la fabrication additive. En effet lorsque l’on soude une pièce en titane par exemple, des impuretés ont tendance à venir s’y déposer, fragilisant ainsi celle-ci. Le titane est par ailleurs un métal qui refroidit très rapidement, il nécessite donc l’utilisation d’outils particulièrement chers.
La fabrication additive est donc de plus en plus employé lorsqu’il s’agit de travailler ce matériau, les plus gros utilisateurs étant les secteurs de l’automobile, l’aéronautique et de la médecine. Les alliages de titane tels que le Ti6Al4V sont plus solides que matériau original pur. Cet alliage biocompatible trouve notamment des applications dans la médecine. Il est utilisé par exemple pour fabriquer d’implants en titane sur mesure, sa porosité naturelle permettant aux cellules osseuses de le coloniser efficacement.
- Entre 400 et 500 € le kg
L’aluminium
Dans cette catégorie on retrouve par exemple l’AlSi10Mg, un alliage qui par de sa composition (magnésium et silicium) est à la fois très léger et très solide. Le plus souvent, ce matériau est utilisé pour la fabrication de moules à parois fines et aux géométries complexe. Il existe aussi l’alumide, une poudre à base de polyamide et d’aluminium., qui offre l’avantage de pouvoir réaliser des pièces à la fois très solides et très flexibles avec une importante résistance à la chaleur.
D’un aspect proche du métal, son impression se fait par frittage laser avec des particules d’alumine de 60 µm (micromètres). Comme la plupart des impressions métal, les objets imprimés avec ce type de matériau nécessitent ensuite divers finitions telles que le fraisage ou le meulage.
- Entre 100 et 150 € le kg
Le cobalt chrome
Grâce au procédé EBM (Electron Beam Melting), une technique voisine du SLS consistant à fusionner une poudre avec un faisceau électron, l’alliage Cobalt Chrome peut désormais être imprimé en 3D. Le suédois Arcam propose par exemple l’ASTM F75, un alliage très solide résistant à l’usure et la corrosion pour concevoir de l’outillage ou des moules.
Lisse et résistant, le CoCrMo est un autre alliage employé pour les prothèses de genou ou de hanche par exemple ou des couronnes dentaires. Toujours dans ce domaine EOS a développé Le Chrome Cobalt EOS SP2 un super-alliage pulvérulent destiné aux restaurations dentaires.
- Environ 250 € le kg
Les matériaux précieux
Si depuis peu, les matériaux précieux tels que l’or, le platine ou le titane peuvent être directement imprimés en 3D via des poudres frittées par laser, le plus souvent ces métaux sont coulés dans des moules fabriqués par impression 3D. Ce procédé est surtout utilisé en bijouterie, où l’on pratique une technique de moulage appelée moulage à la cire perdue. Concrètement on moule l’objet en cire afin de créer un moule en plâtre dans lequel est ensuite coulé le métal fondu.
Pour l’impression 3D grand public, il existe également des filaments composites imitant l’apparence des métaux précieux. Le fabricant Hollandais ColorFabb s’en est d’ailleurs fait une spécialité en développant tout une série de filaments composites métalliques à base de PLA et de certains métaux précieux : CopperFill à base de cuivre par exemple ou Bronzefill pour des impressions en bronze.
- En moyenne 50 € la bobine de 750g.
La céramique
La céramique repose sur trois principaux procédés d’impression 3D : le FDM (sous la forme de filament céramique ou de pâte), le SLA, et diverses techniques par pulvérisation de liant tels que la Binder Jetting (BJ). Une fois imprimé, l’objet doit subir un traitement par émaillage séché à plus de 1 000°. Ce traitement permet de durcir l’objet et de lui donner un aspect lisse et brillant. La couleur s’obtient durant la phase d’émaillage. En plus d’être étanche et recyclable, la céramique est un matériau alimentaire et biocompatible. Il est idéal pour la fabrication de vaisselles (tasses, soucoupes, assiettes…), mais aussi de d’implants médicaux et diverses composants pour l’aérospatiale.
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