Les plastiques pour l’impression 3D

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 et le PLA, 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. Utilisé par toutes les imprimantes personnelles (MakerBot, Ultimaker, Bits from Bytes, UP!, Solidoodle…), il constitue aussi le composant de base du constructeur Stratasys. Il sert aussi à imprimer le Stanford Bunny, un modèle de test d’imprimante 3D open source.

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 et offre un très beau rendu, avec une surface lisse et brillante.

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.

L’ABS est déjà très courant dans les objets qui nous entourent : appareils électroménagers, téléphones, ordinateurs, jouets… Les célèbres briques de Lego sont notamment réalisées dans ce matériau.

Le Stanford Bunny

Le Stanford Bunny, ou lapin de Stanford, est un modèle de test utilisé en 3D, développé par Greg Turk et Marc Levoy en 1996 à l’université de Stanford (États-Unis). Il est constitué de 69 451 polygones, calculés à partir du scan 3D d’une fi gurine de lapin en céramique. Popularisé par les utilisateurs de logiciels de CAO, ce modèle permet de vérifi er la confi guration d’une imprimante 3D open source.

Stanford Bunny partagé sur Thingiverse et imprimé en ABS. (Source : Matthew LaBerge)

ABS et simili- ABS acceptés par les principaux constructeurs.

LE PLA

Les imprimantes 3D open source qui utilisent la technique FDM n’acceptent généralementque deux types de matériaux : l’ABS et le PLA (polylactic acid, acide polylactique). Ce dernier, fondant à une température comprise entre 160 et 220 °C, est plus difficile à manipuler que l’ ABS, car il refroidit et durcit très rapidement. Mais, contrairement à celui-ci, il ne nécessite pas de plateau d’impression chauff ant : 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.

Bobines de filament de PLA pour imprimantes FDM. (Source : RepRap Prescription)

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 chauff é 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’aff adir et d’abîmer un objet en PLA. Le PLA peut être de diff érentes couleurs (noir, blanc, jaune, rouge et vert) et même transpa- rent. Acceptant tout type de fi nition ( 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 fi lament soit en acier inoxydable.

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 fi ne, 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 fl exibles, off rant un grand niveau de détail.

Biocompatibles, les polyamides ont été approuvés pour des contacts alimentaires, à l’excep- tion 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 fi lament, 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.

Modèle BuckyBall imprimé en polyamide. (Source : Mr Nöt pour Sculpteo)

LES PLASTIQUES COMPOSITES MULTICOLORES

Un prototype de multimètre imprimé avec le matériau polychrome
de Z Corporation. (Source : Z Corporation / 3D Systems)

Il est possible d’imprimer plusieurs couleurs au cours d’une même impression, la tech- nique la plus aboutie étant celle développée par Z Corporation, société rachetée depuis par 3D Systems. Cette entreprise a en eff et mis au point un matériau composite spécial, dont la composition exacte est gardée secrète, qui est utilisé par les imprimantes ZPrinter. Avec leur technologie exclu- sive 3DP, ces machines permettent ainsi d’imprimer en couleurs haute défi nition : 390 000 teintes sont disponibles avec une machine ZPrinter 650 ou 850 ! Les objets obtenus respectent fi dèlement les couleurs demandées, mais le résultat de surface est assez rugueux au toucher.

D’autres techniques existent pour imprimer plusieurs couleurs simultanément au sein d’une même pièce. Les machines Replicator Duel Extruder de MakerBot et la 3DTouch à multiples têtes d’extrusion de Bits from Bytes ont été lancées pour répondre à ce besoin. Le modèle à double extrusion de MakerBot utilise deux bobines de plastique séparées, qui se coordonnent pendant l’impression.

Enfin, on peut citer les matériaux édités par Objet, appelés Digital Materials (voir page 67), qui permettent aussi de combiner les couleurs, mais seulement dans les niveaux de gris.

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

Figurines de Valkyries imprimées en résine. (Source : Bpgda, Gabelko/Moddler)

LES PLASTIQUES TRANSPARENTS

Moulage dentaire réalisé avec le matériau VisiJet Clear à l’aide d’une imprimante ProJet 6000. (Source : 3D Systems)

Grâce à la transparence de certains thermoplastiques, il est possible de réaliser des objets devant faire 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. La ligne de matériaux Accura SLA de 3D Systems comporte ainsi des plastiques très transparents, Accura ClearVue et Accura 60 étant les plus clairs de leur catégorie. En revanche, d’autres plastiques sont plus opaques, laissant passer la lumière mais ne permettant pas de voir entièrement au travers. C’est le cas notamment du matériau Accura Peak.

La technologie PolyJet peut aussi recourir à certains photopolymères au rendu transparent. Les matériaux VisiJet Clear de 3D Systems ou WaterClear de Materialise sont ainsi utilisés en dentisterie pour la création de moulages et d’appareils dentaires discrets.

Gammes de matériaux transparents par constructeur.

LES PLASTIQUES RÉSISTANT À LA CHALEUR

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.

D’une très grande stabilité, le matériau High Temperature (RGD525) d’Objet permet de tester des pièces qui laissent passer de l’air ou des liquides chauds (robinets, tuyaux). Sa température maximale autorisée est de 67 °C, pouvant s’élever à 80 °C avec un post-traitement adapté.

Prototype de pièce de ventilation automobile imprimé avec le matériau High Temperature d’Objet. (Source : Objet)

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.

Prototype de brosse à cheveux combinant un matériau flexible et un matériau rigide Objet. (Source : Objet)

Le matériau iFlex 500 d’ EnvisionTEC produit des pièces en simili-caoutchouc qui résiste à l’eau et absorbe peu les liquides. Objet est un autre fabricant spécialiste des matériaux souples d’impression 3D. La famille Objet Tango est une gamme de quatre simili-caout- choucs utilisés par les imprimantes Objet Connex : TangoGray, TangoBlack, TangoPlus et TangoBlackPlus. Ils possèdent diff érents degrés d’élasticité qui off rent une grande variété d’applications. Ils sont notamment présents sur certains appareils électroniques qui doivent présenter des zones non glissantes ou douces (télécommandes, par exemple), des instru- ments médicaux ou des intérieurs de voitures.

Les Digital Materials d’ Objet sont des matériaux réalisés sur mesure à partir des composants VeroWhitePlus, TangoBlackPlus et TangoPlus. En jouant sur ces diff érentes combinaisons, on peut défi nir avec précision les propriétés de ces matériaux et obtenir ainsi six degrés de dureté Shore A, de Shore 40 à Shore 95.

LE POLYPROPYLÈNE ET LES SIMILI-POLYPROPYLÈNES

Le polypropylène (PP) est un plastique très résistant, relativement fl exible 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…

Boucle de ceinture imprimée en 3D en simili- polypropylène. (Source : Objet)

Dans cette gamme de matériaux, EnvisionTEC propose le LS600, un simili-polypropylène hautement durable qui off re un grand niveau de détail, et le R5/R11 qui permet de fabri- quer des moulages souples. Chez 3D Systems, il y a le VisiJet Flex, proche en apparence et au toucher d’un polypropylène. Chez Objet, on peut citer DurusWhite, une famille de simili- polypropylènes aux propriétés thermiques améliorées, mais uniquement compatibles avec les imprimantes Objet Connex.

L’ALUMIDE

La manivelle de ce trépied de caméra a été
imprimée en 3D en alumide. (Source : i.materialise)

L’alumide est une poudre de polyamide mélangée à de l’aluminium, qui off re une très grande solidité tout en demeurant fl exible. 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’in- dustrie automobile pour des éléments ne néces- sitant 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.

L’impression d’alumide s’opère généralement par frittage laser, la taille moyenne des parti- cules d’alumide étant de 60 μm. En règle générale, ce matériau requiert ensuite un travail de fi nition, qui peut être de nature variée (meulage, polissage, revêtement). Il est aussi possible de travailler la pièce à la fraiseuse, au tour ou au foret.