Matériaux d'impression 3D haute performance : PEEK, ULTEM et autres polymères

Source : 3dnatives.com

Ces dernières années, les matériaux haute performance sont devenus un sujet très controversé dans la communauté de l'impression 3D. Dans un monde en constante mutation et s'adaptant à de nouvelles technologies et matériaux, il n'était qu'une question de temps avant que les polymères thermoplastiques haute performance ne se distinguent parmi les autres matériaux pour l'impression 3D. Le polyaryléthercétone (PAEK) est une famille de matériaux thermoplastiques semi-cristallins capables de supporter des températures élevées tout en conservant une résistance exceptionnelle. Le PAEK est principalement utilisé sous la forme de polyétheréthercétone (PEEK) et de polyéthercétonecétone (PEKK), deux matériaux à la rigidité élevée. Cependant, une alternative bien plus économique, le polyétherimide (PEI), également connu sous le nom d'ULTEM, a suscité beaucoup d'attention car, en raison de son absence de cétone, il coûte beaucoup moins cher. Vous trouverez ici tout ce que vous devez savoir sur les familles PAEK et PEI.

Production et caractéristiques des polymères haute performance

La première chose à noter concernant les polymères haute performance est que, bien qu'ils partagent des caractéristiques communes, ils ne sont pas tous exactement identiques. Cela dit, de manière générale, on peut noter que les matériaux thermoplastiques haute performance, et le PEEK en particulier, sont aussi résistants que l'acier et 80 % plus légers que le métal, ce qui les rend extrêmement désirables dans le secteur de la production. De plus, outre leur résistance mécanique et thermique exceptionnelle jusqu'à 250 °C (482 °F) en fonctionnement continu, les matériaux PAEK sont également résistants à la dissolution dans les huiles et d'autres substances, contrairement à la plupart des autres matières plastiques. Lorsqu'ils sont exposés au feu, ils ne dégagent presque aucun gaz ou fumée nocifs.

En réalité, ces matériaux existent depuis plus de trente ans, principalement utilisés pour le moulage par injection ou l'usinage. Au début, Stratasys était la seule entreprise à produire des imprimantes capables de gérer les températures élevées requises pour fondre les polymères PAEK et PEI. Avec l'ouverture du marché, cependant, davantage d'entreprises ont eu l'opportunité d'expérimenter ces matériaux, entraînant une commercialisation de masse de leurs inventions. Avec le temps et l'affaiblissement des barrières à l'entrée, nous voyons un nombre croissant d'entreprises faire leur entrée dans le secteur et commencer à produire des imprimantes capables de traiter les thermoplastiques PAEK.

Le PEI a été développé pour la première fois par le département plastique de General Electric à la fin des années 80. En 2007, cependant, SABIC, l'une des principales sociétés publiques d'Arabie saoudite, a acquis ce département et donc les droits sur la marque ULTEM. Comme ce matériau est une alternative moins coûteuse au PEEK, il a immédiatement suscité un grand intérêt d'un point de vue financier. Associé à ses propriétés physiques diverses et significatives telles que la résistance à la chaleur élevée, aux solvants et aux flammes, sa force diélectrique et sa conductivité thermique, il constitue une solution fantastique pour de nombreux projets d'ingénierie. ULTEM est devenu le matériau de choix pour les applications d'ingénierie extrêmement complexes, généralement dans le secteur aérospatial.

Impression 3D avec des polymères haute performance

Les polymères PAEK et PEI sont principalement imprimés par FDM (dépôt de fil fondu) ou par SLS (frittage sélectif par laser). Compte tenu des températures élevées auxquelles fonctionnent ces polymères, il est compréhensible qu'aucune imprimante 3D ordinaire ne soit capable de travailler ces filaments. Une imprimante 3D pour PAEK/PEI doit avoir une buse d'extrusion capable de gérer des températures supérieures à 300 °C, point de fusion de ces polymères. De plus, le plateau chauffant doit atteindre au moins 150 °C pour que l'objet puisse être décollé. Enfin, d'importants mécanismes de refroidissement sont requis pour garantir le bon équilibre thermique dans la chambre fermée.

Le post-traitement des matériaux haute performance est une procédure nécessaire. Comme pour toute pièce complexe imprimée en FDM, un support est nécessaire. Cependant, lorsqu'il s'agit de PAEK et de PEI, en raison de la rigidité de l'objet final, le retrait du support peut être compliqué. Par conséquent, une série d'outils est souvent utilisée pour finaliser la post-production d'une pièce.

En revanche, lorsqu'il s'agit du SLS, la pièce est imprimée pratiquement à la perfection, sans nécessité d'usinages mécaniques supplémentaires. Néanmoins, les fabricants doivent prendre en compte le phénomène de déformation (warping). Une fois l'impression d'un objet terminée et la température à l'intérieur de la chambre redescendue, les polymères ont tendance à se rétracter. Par conséquent, le PAEK et le PEI sont très utilisés pour l'impression de petits objets, car plus la pièce est grande, plus l'effet de déformation (warping) sera important. Bien que cela puisse être contrôlé dans une certaine mesure en optimisant les paramètres d'impression tels que la vitesse et la température.

L'utilisation des thermoplastiques haute performance est encore en phase de perfectionnement. Le processus de production est toujours en cours d'amélioration constante. Par exemple, comme mentionné précédemment, une fois un objet imprimé en PAEK, une transformation supplémentaire souvent complexe est toujours nécessaire. Cependant, de nouvelles innovations améliorent constamment le processus. Plusieurs entreprises travaillent actuellement sur une solution FDM où le support de l'objet est imprimé dans un matériau différent afin qu'il puisse être éliminé plus facilement et rapidement une fois l'impression terminée. D'autres entreprises, comme par exemple Kimya, ont commencé à se concentrer sur des combinaisons de matériaux permettant d'exploiter le meilleur de chaque matériau. De cette manière, le produit final peut être par exemple composé à 70 % de PEEK et à 30 % de fibre de carbone.

Applications

Comme on peut l'imaginer, une famille de matériaux possédant un si grand nombre de caractéristiques et de qualités est utilisée dans une variété de secteurs. Le secteur automobile a rapidement commencé à exploiter les capacités uniques du PAEK et du PEI pour toute une série d'applications. L'un des domaines où le PAEK et le PEI ont été les plus subversifs est celui de la production d'outils rapides à bas coût pour le moulage par injection, le thermoformage, les dispositifs de blocage et les accessoires. Cela permet aux entreprises de produire un volume de pièces allant de faible à moyen à bas coût sans avoir à investir dans une production à grande échelle. De plus, la production de pièces personnalisées est de plus en plus demandée car elles peuvent être modifiées pour répondre à certaines exigences et supporter des modifications complexes pour améliorer leur structure.

Comme c'est le cas pour de nombreux autres matériaux d'impression 3D, les familles PAEK et PEI sont largement utilisées dans le domaine médical. Le PEEK est célèbre pour son utilisation dans le blindage des appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Il est également considéré comme un matériau biologique avancé utilisé pour les implants médicaux et dans les tiges de renforcement et les dispositifs de fusion spinale. Le fait qu'il soit capable de résister à l'eau bouillante et à la vapeur surchauffée le rend parfait pour les objets devant être stérilisés à des températures extrêmement élevées.

Les thermoplastiques haute performance sont également largement utilisés dans le secteur aérospatial. La résistance chimique, le rapport poids/résistance élevé et le faible risque d'incendie, de fumée et de toxicité font de ces polymères les substituts idéaux aux métaux, souvent utilisés pour des pièces d'aéronefs et des éléments de machines. Isolation thermo-acoustique, supports structurels, pinces et entretoises, dispositifs de fixation, connecteurs et tuyaux ne sont que quelques exemples d'éléments pour lesquels le secteur de l'ingénierie aérospatiale a commencé à utiliser le PAEK et le PEI, réduisant souvent le poids des pièces de 70 %. D'autres secteurs utilisant les matériaux haute performance incluent : le maritime, le nucléaire, le pétrole et le gaz, et bien d'autres encore.

Principaux producteurs et prix des matériaux haute performance

Bon nombre des grandes entreprises chimiques ont rapidement pris conscience de l'importance des thermoplastiques haute performance dans le domaine de la fabrication additive. Par conséquent, des entreprises de premier plan comme Arkema, Lehmann & Voss et Solvay (pour n'en citer que quelques-unes) comptent parmi les principaux producteurs de matériaux PAEK. En ce qui concerne le PEI, cependant, la marque ULTEM de SABIC est la seule disponible sur le marché pour le moment.

En termes d'imprimantes capables de supporter le PAEK et le PEI, le fabricant chinois INTAMSYS a reçu beaucoup d'attention car il propose une gamme d'imprimantes 3D professionnelles et de bureau. Néanmoins, la société néerlandaise Tractus3D devient de plus en plus populaire, tout comme le géant allemand EOS, qui a mis sur le marché l'imprimante HTLS (frittage laser haute température) capable de traiter ces matériaux.

Cela dit, comme on peut s'y attendre, ces polymères haute performance ne sont pas bon marché. Le PEEK, l'ULTEM et le PEKK sont parmi les matériaux pour impression 3D les plus coûteux disponibles sur le marché. Bien que l'ULTEM soit une alternative légèrement moins coûteuse, une bobine de 1 kg de filament commence à plus de 200 dollars et coûte souvent beaucoup plus cher selon la marque et les propriétés du matériau. Le PEEK, quant à lui, coûte souvent plus de 300 dollars et jusqu'à plus de 700 dollars pour 1 kg de matériau, tandis que le PEKK coûte en moyenne entre 400 et 500 dollars pour la même quantité.

Non seulement cela, mais si vous êtes intéressé par le filament, vous devez également garder à l'esprit que l'impression ne peut pas être effectuée par n'importe quelle imprimante. Il est nécessaire d'investir dans une imprimante conçue pour les polymères haute performance, comme mentionné précédemment. Ces imprimantes sont naturellement plus coûteuses qu'un modèle FDM standard. En fait, certaines commencent à plus de 5 000 euros, mais sont généralement beaucoup plus onéreuses. Cependant, au fil des années, nous avons constaté qu'avec la croissance du marché, les choix à disposition des consommateurs augmentent également. Peut-être assisterons-nous dans un futur proche à une baisse des prix, tant des imprimantes que des matériaux, à mesure que les applications utilisant des polymères haute performance se répandront dans la fabrication additive.