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Impression 3D Lehvoss

20 août 2020

Imprimabilité 3D des plastiques techniques et pratique industrielle

Le dépôt couche par couche, également décrit par le terme simplifié d'impression 3D, est devenu un sujet majeur dans toutes les industries. Il n'y a guère d'entreprises qui ne s'occupent pas de l'impression 3D. L'industrie du plastique rêve de pièces détachées imprimées, petites séries ou même de nouveaux produits. Et à juste titre !

Il est impératif de renoncer à l’idée d’utiliser en impression 3D exactement les mêmes matériaux que ceux utilisés aujourd'hui en injection et extrusion. Après tout, ce n'est plus une question de faisabilité mais de propriétés, de qualités et de coûts. La capacité d’impression 3D des plastiques est d'une importance fondamentale à cet égard, cependant, elle ne peut pas (encore) être saisie en une seule valeur. Néanmoins, les facteurs qui ont un impact peuvent être illustrés en utilisant les matériaux d'impression 3D du groupe Lehvoss.

Qu’est-ce que l’imprimabilité 3D ?

Le graphique suivant montre une comparaison entre le matériau adapté à l'impression 3D et un filament PA6 classique, tous deux traités dans une imprimante à filament, dans des conditions identiques, avec une plate-forme chauffante mais sans chauffage de l’enceinte.

Micro CT scan comparaison de l'imprimabilité 3D

Micro CT scan d'un matériau PA6 conventionnel et LUVOCOM 3F PAHT. Les essais d'impression 3D ont été réalisés sur une machine identique avec les mêmes paramètres (vitesse, épaisseur du filament, facteur d'extrusion, etc.). 

Sur le filament PA6, les premières couches proches du plateau chauffant ont été imprimées sous la forme d'un volume dense. À mesure que la distance par rapport au plateau augmente, des pores réguliers apparaissent, bien qu'un niveau de remplissage de 100 % ait été fixé. Le brin déposé se rétrécit lors du refroidissement et il n'y a donc plus de contact avec le brin adjacent. Il en résulte une porosité de 25%, souvent observée dans les matériaux FFF, et une réduction conséquente de la résistance dans la direction xy et particulièrement dans la direction z. En revanche dans l’exemple de droite du matériau facilement imprimable, on observe une densité élevée et une porosité de seulement 2 à 4% ; qui peut également être mesurée sur des pièces moulées par injection. La gestion de la température est pour ainsi dire intégrée dans le polymère, ce qui rend superflu le chauffage de l’enceinte.

La haute densité de l'élément imprimé est le facteur crucial. Si l'on parvient à imprimer une pièce dense, on obtient des propriétés similaires au moulage par injection. Des éprouvettes de traction standardisées moulées par injection et imprimées à partir du matériau LUVOCOM PAHT l’ont démontré. Les résultats de l'analyse ont prouvé qu'il n'y a plus de différence significative entre les versions moulées par injection et imprimées.

Propriétés impression 3D vs injection

Comparaison d'éprouvettes de traction moulées par injection et imprimées en 3D en LUVOCOM 3F PAHT 

L'imprimabilité 3D des polymères peut donc être décrite comme suit : les polymères imprimables en 3D permettent d'imprimer des pièces denses sans avoir à recourir à des procédés complexes. Les propriétés des pièces à forte densité d'impression ne sont plus différentes de celles des pièces moulées par injection. Cependant, cela oblige les utilisateurs à repenser leur approche et à ne pas chercher des polymères spécifiques (ici : PA6), mais plutôt des fonctionnalités : résistant à la température, rigide, noir pour les applications sous le capot...

Quelles sont les conséquences de la haute imprimabilité 3D dans la pratique ?

La densité des pièces est la clé d'une excellente qualité. Dans le même temps, une stabilité de fusion optimisée pour le processus d'impression permet des caractéristiques de traitement simplifiées. Par exemple, il est possible d’imprimer avec des angles extrêmes sans avoir besoin de matériaux de support.

Stabilité impression 3D

La stabilité de fusion adaptée du LUVOCOM 3F PAHT permet des angles extrêmes sans support (© ColorFabb)

La rhéologie adaptée de la fonte a également une influence sur la qualité de la surface des pièces imprimées. A condition qu’il y ait une haute résolution d’impression, on obtient des qualités de surface qui sont déjà adaptées à des applications techniques sans nécessité de post-traitement. En même temps, la faible rugosité de la surface réduit l'effet d'entaille, ce qui améliore les propriétés mécaniques.

Impression 3D Luvocom Matière 3D Luvocom PEEK

La rhéologie contrôle la qualité de la surface, illustrée dans ce cas par un LUVOCOM 3F PAHT non chargé (à gauche) et un LUVOCOM 3F PEEK (à droite)

Le fait qu’il n’est pas nécessaire d’avoir une enceinte chauffée, combiné à une technologie de processus simple pour une imprimante FFF, permet de réaliser n’importe quelle taille de pièce.

Matériau 3D haute performance : PEEK chargé fibres de carbone

L'impression de grandes géométries devient possible sans chauffage des enceintes, matériau LUVOCOM 3F PEEK CF (© ROBOZE)

Y a-t-il des différences entre les procédés d'impression en 3D ?

Les polymères à haut niveau d'imprimabilité 3D sont donc des matériaux qui sont exactement adaptés aux exigences du processus d'impression 3D, ainsi qu’aux exigences de l'application finale. Par conséquent, cela signifie que les matériaux développés pour les procédés basés sur l'extrusion (FFF) ne peuvent pas être utilisés dans les procédés basés sur la poudre (comme le frittage laser).

En outre, il existe des différences très évidentes entre les matériaux FFF et les matériaux de frittage laser : la forme de la matière première pour le FFF est un granulé, qui peut être transformé en filament. Par conséquent, il est possible d'y mélanger des additifs, des charges fonctionnelles (comme le PTFE) et des agents de renforcement (comme les fibres de carbone ou de verre) d'une manière très similaire à celle qui s'applique aux matériaux de moulage par injection. Dans le cas des poudres, les possibilités d'utiliser des charges et des agents de renforcement conventionnels sont très limitées. Leur taille doit être de l'ordre du micron ou du sous-micron. La concentration de charge admissible est également limitée en raison d’un effet négatif sur les forces rhéologiques et superficielles qui permettent aux particules de poudre de s'écouler ensemble pour former un composant dense. Bien que de nombreux matériaux sur le marché contiennent des composants de faible poids moléculaire (par exemple des cires) qui améliorent la rhéologie, les propriétés mécaniques demeurent acceptables pour le prototypage, mais insuffisantes pour la production.

Avec les matériaux de frittage laser à base de poudre, la bonne imprimabilité d’un matériau se caractérise par une transformation d’un polymère qui, malgré son haut poids moléculaire, peut être utilisé pour créer une pièce dense avec des propriétés comparables à un moulage par injection. Un exemple est le LUVOSINT TPU X92A, une poudre TPU actuellement utilisée pour l'impression 3D sur le marché de la chaussure.

Impression 3D TPU

TPU fritté au laser comme matériau d'impression 3D "numérique", LUVOSINT TPU X92A (© Groupe LEHVOSS)

Les possibilités de modifier les matériaux de frittage laser sont très limitées, mais ils offrent une liberté de conception de presque 100%. Des structures complexes générées par un logiciel spécifique permettent d'ajuster les propriétés du matériau dans une large gamme. Il faut donc faire la distinction entre les propriétés intrinsèques et les propriétés numériques du matériau. Des processus tels que le FFF n'offrent cette possibilité qu'à un niveau rudimentaire. Ces matériaux numériques n'offrent pas seulement la possibilité de simuler les propriétés d'autres polymères, mais peuvent aller au-delà des propriétés intrinsèques du matériau en produisant, par exemple, de nouvelles propriétés d'amortissement pour une application de chaussure grâce à des structures qui n'avaient jusqu'alors pas été obtenues en moulage par injection ou par moussage.

Tandis que la fonctionnalité dans le domaine de la FFF peut être définie sur la base du matériau, dans le frittage laser, la conception, à savoir la géométrie du composant, tend à être la clé de la fonctionnalité innovante. Il s'agit alors de concevoir des matériaux qui soient aussi universellement applicables que possible, qui fonctionnent sur toutes les plates-formes d'impression et dont les propriétés permettent un très large éventail d'applications. Dans le LUVOSINT PP par exemple, la ténacité, la soudabilité, le point de fusion élevé pour les applications sous le capot, mais aussi l'alimentarité sont tous réunis dans un seul matériau. En fin de compte, cela dépend des propriétés numériques du matériau que le logiciel génère via des structures, qui permettent une automatisation complète de la chaîne de processus, du scan numérique au produit fini. Les semelles orthopédiques imprimées à partir de LUVOSINT® TPU du fournisseur AETREX ne sont qu'un exemple de la manière dont les différentes industries peuvent faire l'expérience de l'innovation grâce à l'impression 3D.

Impression 3D et scan numérique Lehvoss

La voie numérique du scan à la pièce finie avec le frittage laser 

Que l'avenir commence !

Les pièces produites par impression 3D peuvent présenter des qualités qui ne sont nullement inférieures à celles des pièces moulées par injection. Au contraire, la liberté géométrique de l'impression 3D permet de mettre en œuvre des fonctionnalités totalement nouvelles. Les très bons matériaux techniques imprimables en 3D nécessaires à cette fin sont maintenant disponibles. Les fournisseurs de machines réagissent déjà de manière appropriée aux nouvelles applications industrielles. En ce qui concerne l'avenir de l'impression 3D, ce n'est donc pas la machine, ni le matériel, mais le logiciel qui est la clé !

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