Impression 3D Plastique

En matière d’impression 3D, le plastique prime. Bien que les métaux et les céramiques soient de plus en plus compatibles avec cette technologie, l’impression 3D de plastique — regroupant de nombreux thermoplastiques et élastomères — est la plus courante.

Côté entrée de gamme, on retrouve des polymères comme le PLA et l’ABS. Ces thermoplastiques sont souvent utilisés dans la fabrication de prototypes ou d’objets décoratifs. Au niveau industriel, des polymères tels que le PA (nylon) ou le PC (polycarbonate) servent à créer des moules, des prototypes de haute qualité et même des pièces finales.

Cet article se penche sur le développement de l’impression 3D plastique, les divers matériaux et technologies disponibles, et certains cas de figure actuels.

La « pyramide des thermoplastiques » est une catégorisation courante de la panoplie de plastiques disponibles dans l’industrie de la fabrication. 

Les matériaux plastiques bas de gamme comme le PLA ou l’ABS se trouvent au premier palier. Peu chers, ils sont idéaux pour les applications peu exigeantes et peu critiques.

Au milieu de la pyramide, on place les plastiques techniques plus onéreux, mieux adaptés aux conditions générales de roulement et d’usure. Il s’agit principalement des acryliques et des polyamides.

Au sommet de la pyramide figurent les plastiques les plus performants et les plus chers. Ces matériaux dits « de haute performance » présentent une forte résistance aux températures élevées, aux produits chimiques, et à l’usure, entre autres. Ce groupe inclut notamment le PEEK (polyéther éther cétone) et le le PBI (polybenzimidazole).

Il est à noter que tous les thermoplastiques ne sont pas forcément adaptés à l’impression 3D. Le PVC, par exemple, est l’un des plastiques les plus courants dans le monde et offre un excellent rapport qualité-prix. Cependant, il est peu répandu dans l’impression 3D ; la fusion de ce plastique peut présenter de graves risques pour la santé. De même, le PBI se révèle incompatible avec les applications courantes d’impression 3D, bien que quelques recherches soient menées à ce sujet.

Le PLA est de loin le matériau le plus courant dans l’impression 3D plastique grand public. Apprécié pour sa facilité d’impression et son prix abordable, il est idéal pour l’apprentissage et l’expérimentation. Ses propriétés mécaniques sont toutefois limitées, et l’on s’en sert principalement pour imprimer des jouets, objets décoratifs et prototypes simples.

L’ABS, quant à lui, est plus fonctionnel que le PLA. On le trouve couramment dans les articles ménagers, allant des touches de clavier d’ordinateur aux LEGOS. L’ABS est très résistant et durable et peu flexible.

Le nylon (de la famille des polyamides, PA) est une alternative populaire au PLA et à l’ABS, avec des propriétés techniques supérieures. Ce plastique d’impression 3D permet de produire des pièces durables et flexibles. On l’utilise par exemple dans la fabrication de prothèses ou de boîtiers.

Moins courant, mais de plus en plus disponible : le PP (polypropylène). C’est le matériau de prédilection des constructeurs automobiles pour les pare-chocs. Il peut être difficile à imprimer en raison de problèmes de rétrécissement et de déformation (« warping »).

Le TPU (polyuréthane thermoplastique) est une autre option d’impression 3D plastique intéressante, idéale pour imprimer des pièces en plastique souple. Les matériaux TPU combinent les propriétés du thermoplastique avec celles du caoutchouc. Ils sont pratiques pour les appareils médicaux, les étuis de téléphone ou encore les articles de sport, comme la semelle imprimée en 3D de New Balance.

L’incontournable PEEK est l’un des plastiques d’impression 3D les plus performants. Il présente un rapport résistance/poids extrêmement élevé et une grande résistance aux produits chimiques, à l’eau, au feu et à la corrosion. Cependant, sa nature hautement cristalline le rend très difficile à imprimer.

 

Les technologies d’impression 3D plastique se répartissent principalement en trois catégories : l’extrusion de matériaux (FFF, FDM, ...), la photopolymérisation (SLA, DLP, ...) et la fusion sur lit de poudre (SLS, MJF, ...). Le FFF et le SLA sont des technologies répandues dans les machines de bureau grand public et professionnelles, tandis que la fusion sur lit de poudre (PBF) est plus adaptée à un usage industriel.

Le type d’impression 3D plastique le plus courant est le dépôt de filament fondu (FFF), souvent appelé FDM (« Fused Deposition Modeling »). Il est à savoir que FDM est un nom déposé par Stratasys, dont le fondateur Scott Crump a inventé cette technologie. Dans ce procédé, un extrudeur (ou extrudeuse) fait fondre un filament plastique et le pousse à travers une buse, le déposant sur un plateau.

Certaines imprimantes 3D FFF peuvent utiliser des granulés comme consommable au lieu de filament. Les granulés sont souvent utilisés pour les impressions 3D à grande échelle, car ils peuvent être extrudés rapidement. De plus, étant produits en masse pour les méthodes de fabrication conventionnelles comme le moulage par injection, ils coûtent en général moins cher que le filament.

Les imprimantes à stéréolithographie (SLA) sont également très populaires pour l’impression 3D plastique. Elles sont devenues particulièrement abordables ces dernières années, certains modèles étant disponibles à moins de 200 euros. L’impression SLA est un procédé de polymérisation en cuve : un laser ou une source lumineuse polymérise (solidifie), une cuve (réservoir) de résine.

Les résines photopolymères (sensibles à la lumière) pour SLA englobent une gamme de propriétés thermiques et mécaniques différentes. Les options vont des plastiques fragiles aux matériaux plus durables de type polycarbonate, polypropylène et ABS.

Le frittage sélectif par laser (SLS) est un procédé à base de poudre produisant des pièces plastiques de haute qualité. Cette technologie est adaptée à la fabrication de prototypes fonctionnels et même aux petites séries. En SLS, un laser fritte des particules de poudre afin de les agglomérer.

Le frittage de poudre permet de produire des géométries très complexes ainsi que des pièces mobiles ne nécessitant pas d’assemblage. Le revers de cette technologie, et la raison pour laquelle le SLS n’est pas adapté au grand public est que les pièces nécessitent un post-traitement long et fastidieux et long.

L’impression 3D plastique est un écosystème en pleine ascension. Le marché de l’impression 3D était évalué à 12 milliards de dollars en 2020 et devrait atteindre plus de 51 milliards de dollars d’ici 2030. Toute industrie dont le taux de croissance projeté est de 15 % est une industrie qui offrira de nombreuses opportunités et avantages à la société.

Pour commencer, l’impression 3D plastique débloque un énorme potentiel d’innovation en général, et pas seulement en termes de liberté au niveau du design. L’accessibilité de l’impression 3D plastique permet aux startups du monde entier de lancer des produits personnalisés à moindre coût.

Par ailleurs, la pandémie COVID-19 a accéléré le déploiement de l’impression 3D. Elle a démontré sa capacité à soulager les chaînes d’approvisionnement surchargées dépendantes de la fabrication traditionnelle. Lorsque les chaînes d’approvisionnement en équipements de protection individuelle (EPI) ont manqué de matériaux en 2020 aux États-Unis, la fabrication additive est intervenue. Selon un rapport du gouvernement américain, entre février et juillet 2020, les entreprises ont imprimé plus de 50 millions de pièces. Il s’agissait notamment de visières, d’écouvillons nasaux et de composants de masques et de ventilateurs.

Les domaines privilégiées par l'impression 3D

Au-delà de la pandémie, l’impression 3D plastique est également prometteuse dans le domaine des prothèses. Elle permet de personnaliser les dispositifs en fonction de la morphologie d’un patient, voire même de sa démarche. En outre, les géométries internes complexes (par exemple, les remplissages en nid d’abeille) peuvent réduire considérablement le poids d’un dispositif. La réduction du poids est cruciale pour les patients qui portent un objet 24 heures sur 24. 

Dans le domaine automobile, Michelin et Goodyear explorent l’utilisation de l’impression 3D pour créer des pneus sans air. Ils tirent parti des géométries uniques de l’impression 3D plastique pour créer des structures internes alternatives, à l’épreuve des perforations.

IKEA exploite également l’impression 3D pour rendre ses meubles plus accessibles aux personnes handicapées. L’entreprise a lancé son initiative « ThisAbles » en 2019, fournissant gratuitement des modèles imprimables en 3D à boulonner sur des meubles existants. Ces modifications consistent notamment à agrandir les poignées et à créer des plateformes pour surélever les canapés ou chaises par rapport au sol.

Les exemples ci-dessus ne font que suggérer les possibilités offertes par l’impression 3D plastique. À mesure que les thermoplastiques deviennent plus fonctionnels et plus abordables, l’éventail des utilisations ne fera qu’augmenter. La diversité et la flexibilité de l’impression 3D plastique continueront également à s’étendre, avec le développement de composites chargés en métaux, céramiques, bois, fibres de carbone, etc.