Guide des matériaux résistants à la chaleur pour l'impression 3D

L'impression 3D FDM est bien adaptée aux modèles de base de validation de concept, ainsi qu'au prototypage rapide et peu coûteux de pièces simples, telles que des pièces qui pourraient généralement être usinées. Elle peut être rapide pour les conceptions simples et, comme de nombreuses personnes pensent à la technique d'impression 3D et au processus du « pistolet à colle chaude » lorsqu'elles imaginent l'impression 3D, elle peut constituer une introduction facile à l'impression 3D. 

Des trois procédés, le FDM est celui qui présente la résolution et l’exactitude les plus faibles. Il ne convient donc pas à la fabrication de modèles compliqués ou des pièces avec des parties complexes. La plupart des imprimantes 3D FDM professionnelles et industrielles utilisent des supports solubles pour atténuer certains de ces problèmes et offrir une gamme plus large de thermoplastiques d'ingénierie, mais leur prix est également élevé.

Il existe une large gamme d'imprimantes FDM permettant de fabriquer des pièces imprimées en 3D résistantes à la chaleur. De nombreuses imprimantes ont également des plateformes ouvertes, de sorte que les clients peuvent imprimer avec plusieurs types de filaments provenant de différents fabricants. 

La principale exigence pour l'impression 3D FDM de pièces résistantes à la chaleur est de s'assurer que l'extrudeuse et le lit d'impression de l'imprimante peuvent atteindre les paramètres de température plus élevés nécessaires pour faire fondre et extruder les filaments résistants à la chaleur et pour stabiliser les pièces pendant le processus d'impression. Il est recommandé d'utiliser une chambre de fabrication fermée pour maintenir une température cohérente et élevée pendant l'impression. Les filaments qui offrent la plus grande résistance à la chaleur, comme le PEEK ou l'ULTEM, ne sont compatibles qu'avec les imprimantes FDM industrielles spécialisées.

Ces matériaux étant conçus pour résister à la déformation à des températures plus élevées, leur fusion et leur extrusion présentent également souvent des difficultés et peuvent créer des impressions incohérentes, des bouchons dans la buse ou d'autres problèmes.

Les deux matériaux les plus courants pour l'impression FDM sont le PLA et l'ABS. L'ABS offre une plus grande résistance à la chaleur. Il existe également d'autres filaments plus résistants à la chaleur, mais ils sont souvent plus difficiles à imprimer ou nécessitent des imprimantes 3D industrielles spécialisées.

PLA

Le PLA est le matériau plastique le plus courant pour les imprimantes 3D à filament : il est peu coûteux, son flux de travail est très simple et il est disponible dans de nombreuses couleurs, ce qui le rend attrayant pour les amateurs et le marché de l'enseignement de la maternelle à la 12e année. L'acide polylactique standard présente une résistance à la chaleur relativement faible, avec une TFC d'environ 50 ºC à 0,45 MPa. Par conséquent, pour ceux qui cherchent à préserver la facilité d'utilisation tout en étant en mesure d'imprimer rapidement et facilement des pièces en PLA résistantes à la chaleur, de nombreux fabricants proposent un matériau PLA avec des additifs qui améliorent sa résistance à la chaleur. De plus, certains flux de travail recommandent une phase de recuisson, qui consiste à réchauffer les pièces finies afin de cristalliser davantage leurs structures et d'éviter toute déformation sous contrainte.

ABS

L'ABS est le filament d'impression 3D FDM le plus courant pour l'ingénierie et d'autres applications professionnelles. Il produit des pièces solides et résistantes aux chocs. Avec une TFC de 90 ºC à 0,45 MPa, il présente une meilleure résistance à la chaleur que d'autres types de filaments courants comme le PLA ou le PETP. Les pièces ABS sont idéales pour les applications de prototypage rapide et dans l'enseignement ; leur faible coût et leur flux de travail accessible en font un choix populaire pour les impressions rapides.

Polycarbonate (PC)

Les matériaux en polycarbonate, connus pour leur résistance élevée à la rupture et aux températures élevées, sont généralement difficiles à imprimer en 3D car ils se dilatent lorsqu'ils sont exposés à la chaleur et les pièces imprimées en 3D peuvent se casser ou mal fonctionner. Les fabricants d'imprimantes 3D FDM contournent souvent ce problème en créant des composites de polycarbonate avec des additifs qui augmentent leur capacité adhésive. Certains filaments composites de polycarbonate résistants à la chaleur peuvent atteindre des TFC de 110 ºC à 140 ºC à 0,45 MPa, mais ils nécessitent des températures élevées pour le lit d'impression et la buse d'extrusion, ce qui peut limiter les types d'imprimantes disponibles. 

PEEK

Les filaments PEEK ou composites PEEK offrent la plus grande résistance à la chaleur pour l'impression 3D FDM. Ces filaments, lorsqu'ils sont associés à un matériau tel que la fibre de carbone, comme c'est le cas du PEEK-CF, un composite PEEK à fibre de carbone, peuvent atteindre 260 ºC avant de se déformer sous la contrainte, ce qui les rend idéaux pour le prototypage rapide de connecteurs électriques, de produits d'extérieur, ainsi que de gabarits et de fixations pour des applications et des processus de moulage. Ce matériau est très résistant aux produits chimiques et à la friction et peut être usiné une fois solidifié après l'impression. Les propriétés de résistance à la chaleur du PEEK le rendent difficile à fondre et à extruder en douceur, et de nombreux utilisateurs signalent que la fiabilité et la cohérence avec le PEEK sont plus difficiles à obtenir. Les filaments PEEK ne sont compatibles qu'avec quelques imprimantes FDM industrielles. Pour garantir de bons résultats, les imprimantes doivent disposer d'une extrudeuse pouvant atteindre 400 °C, d'une chambre pouvant être chauffée à 120 °C, ainsi que d'une plaque de fabrication pouvant chauffer à 230 °C. Le PEEK est également sensiblement plus cher que les autres filaments. 

ULTEM (PEI)

ULTEM est un autre nom pour le polyétherimide (PEI), un thermoplastique haute performance fréquemment utilisé dans l'impression 3D FDM en raison de sa résistance à la chaleur et de sa résistance. Avec une TFC d'environ 150 °C à 0,45 MPa et une grande résistance à la rupture, il remplace avantageusement et à moindre coût le PEEK dans de nombreuses applications. L'ULTEM est plus facile à imprimer que le PEEK, mais nécessite tout de même une extrudeuse à haute chaleur – environ 360 °C – pour obtenir de bons résultats, c'est pourquoi seule une gamme limitée d'imprimantes FDM est adaptée à l'impression du filament ULTEM.

Les imprimantes 3D résine sont idéales pour créer des pièces de haute qualité avec des finitions de surface lisses, des tolérances serrées et un large éventail de propriétés des matériaux.

Comme les imprimantes résine durcissent les plastiques liquides à l'aide d'une source lumineuse, les couches sont chimiquement liées les unes aux autres dans toutes les directions. Cela signifie que les pièces ont des propriétés mécaniques isotropes et, contrairement aux pièces FDM, ne sont pas sujettes à la séparation le long d'un axe particulier. Cela signifie que les pièces imprimées en 3D avec des résines résistantes à la chaleur peuvent être utilisées pour les joints et les sceaux, les connecteurs électriques qui doivent s'accoupler avec d'autres composants, ou même les applications automobiles, aérospatiales et énergétiques où les températures élevées sont la norme. 

Le processus SLA se prête également à la création de pièces avec des surfaces lisses, des lignes de couche peu nombreuses ou presque invisibles et d'une grande précision. Les résines résistantes à la chaleur sont idéales pour les prototypes fonctionnels, les aides à la fabrication et les pièces finales dans les applications de maintenance et de réparation (MRO) où l'environnement d'utilisation finale peut être chaud. 

La disponibilité des matériaux pour l'impression 3D résine dépend fortement du type d'imprimante. Contrairement à l'impression 3D FDM, où des types de plastique communs sont disponibles pour différents types d'imprimantes, les fabricants SLA formulent et créent souvent leurs propres matériaux.

Formlabs propose plus de 40 résines haute performance pour sa gamme d'imprimantes 3D résine de bureau et grand format avec une gamme variée de propriétés des matériaux. Certaines résines sont spécifiquement conçues pour la résistance à la chaleur, comme High Temp Resin, tandis que d'autres sont conçues pour d'autres propriétés des matériaux, comme la résistance à la rupture, mais permettent d'obtenir également une TFC élevée.

L'impression 3D SLA permet d'obtenir des pièces lisses et de qualité pour l'utilisation finale, qui peuvent fonctionner dans une grande variété d'environnements différents. Formlabs a développé plusieurs résines résistantes aux hautes températures spécifiquement pour les clients travaillant dans des environnements extrêmes, en plus de créer plusieurs résines exceptionnellement solides qui sont également résistantes à la chaleur. 

Lors du choix d'une imprimante résine pour un flux de travail d'impression 3D résistant à la chaleur, il est important de délimiter quelles propriétés mécaniques sont importantes en plus de la TFC. Par exemple, si vos pièces sont destinées à une utilisation finale à 200  ºC, c'est la première propriété mécanique à évaluer. Si leur environnement d'utilisation finale se limite à 150 ºC, vous aurez plus de choix et pourrez alors évaluer l'imprimante en fonction des autres matériaux disponibles, de la finition de surface, de la facilité d'utilisation et du prix.

Clear Resin

L'impression 3D résine offre la possibilité unique de créer des pièces imprimées en 3D véritablement transparentes. Matériau standard conçu pour garantir stabilité et durabilité, Clear Resin présente une résistance à la chaleur qui lui permet d'être utilisé dans des applications nécessitant des températures plus élevées, telles que les conduits d'air chaud ou de gaz. Avec une TFC de 73 °C à 0,45 MPa, ce matériau à usage général est excellent pour le prototypage fonctionnel. Clear Resin peut être utilisée pour des applications de moulage à plus basse température, comme le moulage du polyuréthane, ainsi que les restrictions applicables à ces substances chimiques, car les températures de moulage n'atteignent généralement qu'environ 60 °C.

Tough 2000 Resin

Pour le prototypage de pièces solides, rigides et robustes qui ne doivent pas se plier facilement, Tough 2000 Resin est un excellent choix. Il peut être utilisé pour les gabarits et les fixations qui nécessitent une déviation minimale, grâce à la simulation de la résistance et de la rigidité de l'ABS.

High Temp Resin

Pour les applications à haute température nécessitant la finition de surface lisse et les propriétés matériaux optimisées des résines SLA, High Temp Resin est le matériau rêvé. Il s'agit d'une résine conçue spécialement pour résister aux hautes températures. Avec une TFC de 238 °C à 0,45 MPa, la plus élevée des résines Formlabs, High Temp Resin est idéale pour des applications telles que le prototypage fonctionnel de produits électroniques grand public à haute température, les flux d'air, de gaz et de fluides chauds, ainsi que les moules et les inserts.  

Flame Retardant Resin

Spécialement conçue pour être auto-extinguible et sans halogène, Flame Retardant Resin est un matériau SLA certifié UL 94 V-0 et présentant des indices de flamme, de fumée et de toxicité (FST) favorables. Il est idéal pour imprimer des pièces ignifugées, thermorésistantes, rigides et résistantes au fluage qui fonctionneront bien à long terme dans des environnements intérieurs et industriels avec des températures élevées ou des sources d'inflammation. Il a une TFC de 111 ºC à 0,45 MPa.

Rigid 10K Resin 

Rigid 10K Resin est un matériau à charge de verre très solide, rigide et résistant à la déformation sous l'effet de diverses forces, pressions et couples. Il offre une très grande résistance à la chaleur avec une TFC de 238 °C à 0,45 MPa. Il est idéal pour les moules d'injection et les inserts en petite série, les modèles d'essai aérodynamiques et les gabarits, fixations et connecteurs exposés aux fluides.

Silicone 40A Resin

Associant la haute performance du silicone et la liberté de conception de l'impression 3D pour créer des pièces en silicone hautement fonctionnelles avec une excellente résistance aux produits chimiques et à la chaleur (jusqu'à 125 °C), Silicone 40A Resin est la première résine 100 % en silicone accessible à tous. Elle permet d'obtenir des caractéristiques fines de l'ordre de 0,3 mm et des géométries complexes impossibles à réaliser avec des méthodes traditionnelles.

Alumina 4N Resin

Seule céramique technique accessible et de haute performance, Alumina 4N Resin permet de nouvelles applications d'impression 3D pour les environnements extrêmes. Bien que l'impression avec cette résine nécessite un équipement supplémentaire pour un véritable brûlage céramique, une fois entièrement imprimées, les pièces en Alumina 4N Resin ont une température de travail maximale de 1500 °C. L'utilisation de ce matériau ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de la fonderie, du moulage et même dans des applications spécialisées telles que la manipulation des déchets nucléaires et des métaux liquides.

_{Remarque : les propriétés de la résistance à la chaleur diffèrent, car aucune mesure n'est applicable à tous les matériaux. Le tableau affiche la stabilité thermique pour Silicone 40A Resin, la température maximale de travail pour Alumina 4N Resin et la température de fléchissement sous charge à 0,45 MPa pour tous les autres matériaux.}

Les imprimantes 3D SLS excellent dans la production de pièces de qualité pour l'utilisation finale qui ont la résistance et la durabilité des produits moulés par injection. La nature autoportante du lit de poudre permet d'imprimer des pièces sans supports, ce qui accélère le post-traitement et permet de réaliser des formes qui seraient difficiles à imprimer avec les technologies SLA ou FDM. 

Les écosystèmes SLS peuvent souvent recycler la poudre, ce qui permet d'accroître l'efficacité et de réduire le coût par pièce. Les imprimantes SLS ont souvent des volumes d'impression plus importants que les autres technologies et la nature autoportante de la technologie permet d'imprimer des lots de pièces plus importants, ce qui permet de réaliser des volumes de production faibles à moyens. La chaleur élevée utilisée pour fritter les matériaux SLS signifie que les pièces finies peuvent atteindre une thermorésistance élevée.

Les imprimantes SLS peuvent souvent être plus chères que les technologies FDM ou SLA, bien que des options accessibles comme la série Fuse de Formlabs permettent la production interne de pièces SLS résistantes à la chaleur à un prix abordable. Les pièces imprimées présentent également un état de surface légèrement rugueux, qui peut toutefois être facilement amélioré à l'aide de solutions de post-traitement.

Les poudres d'impression 3D SLS sont naturellement résistantes à la chaleur, de sorte que les options pour le choix d'une imprimante SLS ne sont pas trop limitées si l'application nécessite une TFC plus élevée. Le matériau de prédilection pour l'impression 3D SLS est le nylon, tandis que la plupart des fabricants d'imprimantes SLS proposent une gamme de poudres thermoplastiques familières. Les matériaux étant souvent communs à tous les fabricants, d'autres caractéristiques, telles que le volume d'impression, le prix, le flux de travail et les exigences en matière d'infrastructure, constituent généralement les facteurs de différenciation lors du choix d'une marque d'imprimante 3D SLS à l'autre. 

La série Fuse de Formlabs a introduit une solution accessible, abordable, assez compacte pour l'atelier, à la fois pour le prototypage de haute qualité et la production de pièces finales. Avec une gamme de poudres standard du secteur, telles que le nylon 12, le nylon 11, les composites de nylon, le TPU et le polypropylène, elle offre de nombreuses options pour la production de pièces résistantes à la chaleur.

Le matériau le plus courant pour le frittage sélectif par laser est le nylon, un thermoplastique technique très performant qui résiste aux UV, à la lumière, à la chaleur, à l'humidité, aux solvants, à la température et à l'eau. Il est idéal pour les assemblages complexes et les pièces durables avec une grande stabilité environnementale. Il est disponible en de multiples variantes et sous des formes composites, chacune adaptée à des applications différentes. Parmi les autres matériaux SLS populaires figurent le polypropylène (PP) ductile et le TPU flexible, qui présentent tous deux de bonnes propriétés de résistance à la chaleur.

Nylon 12 Powder

Alliant solidité et finesse des détails, Nylon 12 Powder est un matériau puissant conçu pour le prototypage fonctionnel et la production finale d’assemblages complexes et de pièces durables dotés d’une stabilité environnementale élevée. Il offre une TFC de 171 °C à 0,45 MPa, ce qui en fait l'un des meilleurs matériaux d'usage général pour les applications à haute température.

Nylon 12 GF Powder

Nylon 12 GF Powder est un matériau à charge de verre dont la rigidité et la résistance à la chaleur sous contrainte ont été améliorées pour supporter des conditions de fabrications exigeantes. Idéal pour les applications où la rigidité structurelle et la stabilité thermique sont essentielles, telles que les prototypes fonctionnels de haute performance ou les pièces d'utilisation finale robustes qui doivent maintenir une précision dimensionnelle parfaite.

Nylon 11 Powder

Nylon 11 Powder est un matériau ductile et robuste avec une TFC de 182 °C à 0,45 MPa. Il convient à l'impression 3D de pièces résistantes à la chaleur qui doivent se plier ou subir des chocs, au prototypage fonctionnel et à la production en série de petites séries.

Nylon 11 CF Powder

Nylon 11 CF Powder est une poudre renforcée par des fibres de carbone qui est idéale pour la fabrication de pièces rigides, solides et légères pouvant supporter une chaleur élevée pour une utilisation à long terme. Elle a une TFC de 188 °C à 0,45 MPa, ce qui en fait la poudre SLS de Formlabs la plus résistante à la température. Elle est idéale pour les applications à haute température qui requièrent résistance et rigidité, comme par exemple les alternatives au métal pour les pièces de rechange et de remplacement.

Polypropylene Powder

Polypropylene Powder est un véritable polypropylène (PP) qui offre une grande ductilité, permettant des pliages et des flexions répétés tout en garantissant la durabilité, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un contrôle atmosphérique inerte. Avec une TFC de 113 °C à 0,45 MPa, sa résistance à la chaleur est légèrement inférieure à celle du nylon, mais elle peut néanmoins produire des prototypes fonctionnels et des pièces finales durables, résistantes aux produits chimiques, soudables et étanches.

TPU 90A Powder

Les imprimantes 3D SLS peuvent également créer des pièces flexibles en TPU avec une liberté et une facilité de conception inégalées. Associant la résistance à la température, la grande résistance au déchirement et l'allongement à la rupture du caoutchouc à la polyvalence de l'impression 3D SLS, TPU 90A Powder est idéale pour produire des prototypes et des pièces finales souples et sûres pour la peau capables de résister à une utilisation quotidienne.

_{Remarque : les propriétés de la résistance à la chaleur diffèrent, car aucune mesure n'est applicable à tous les matériaux. Le tableau affiche le point de ramollissement Vicat pour TPU 90A Powder et la température de fléchissement sous charge à 0,45 MPa pour tous les autres matériaux.}

L'impression 3D métal est appréciée pour sa capacité à combiner la résistance, la durabilité et la résistance à la chaleur des pièces métalliques avec la liberté de conception de l'impression 3D. Les pièces métalliques imprimées en 3D sont très recherchées dans les secteurs de l'aérospatiale et de l'automobile, où l'allègement des pièces grâce à la conception générative permet d'obtenir des performances élevées sans ajouter de poids, ce qui ne serait pas possible avec les méthodes traditionnelles d'usinage de la fabrication des métaux. 

La puissance élevée requise pour manipuler, fondre et/ou extruder des métaux ou des matériaux composites métalliques rend ces imprimantes souvent extrêmement coûteuses : un modèle de base peut coûter plus de 80 000 €. Les leaders du secteur de l'impression 3D métal proposent des appareils dont le prix atteint couramment un demi-million de dollars, voire plus, et qui nécessitent une infrastructure importante pour l'assistance de leurs processus d'impression, comme des salles séparées et des opérateurs dédiés.

Il y a moins de fabricants d'imprimantes 3D métal que d'imprimantes 3D plastique, mais leur nombre augmente à mesure que la demande augmente pour des flux de travail capables d'offrir à la fois la résistance et les matériaux familiers du secteur des pièces en métal et les possibilités de conception de l'impression 3D.

Ces fabricants sont regroupés en gros en deux technologies : le filage et la fusion sur lit de poudre. Les imprimantes FDM pour le métal fonctionnent comme les autres imprimantes FDM, mais utilisent des tiges en métal rigidifiées par des liants en polymère. Les pièces brutes terminées sont ensuite soumises à un frittage dans un four pour en retirer le liant. Les imprimantes 3D métalliques à fusion sélective par laser (SLM) et à frittage direct par laser du métal (DMLS) fonctionnent de la même manière que les imprimantes SLS, mais au lieu de fritter des poudres de polymères, elles frittent des particules de poudre métallique couche par couche à l'aide d'un laser. 

L'un des avantages de l'impression 3D métallique réside dans la familiarité des matériaux. Qu'il s'agisse de barres coulées et assemblées ou de poudres frittées pour créer des formes, les métaux tels que l'acier et l'aluminium sont facilement reconnaissables et connus des utilisateurs potentiels de cette technologie. Les matériaux les plus populaires sont les mêmes que ceux déjà utilisés dans les secteurs aérospatial, automobile, industriel, agricole et des services.

Titane

Le titane est un métal très résistant à la chaleur et l'un des alliages les plus utilisés dans l'impression 3D. Il est résistant à la corrosion et son poids est faible par rapport à sa résistance.

Acier inoxydable

L'acier inoxydable est un matériau largement connu et utilisé dans de nombreuses applications, en particulier dans les secteurs de l'architecture, du design, de l'automobile et de l'aérospatiale. L'impression 3D en acier inoxydable peut être utile pour la fabrication de pièces de rechange uniques dans des domaines tels que la production, où les méthodes traditionnelles peuvent prendre des semaines, ou dans d'autres contextes, comme sur les navires militaires, où il est possible d'imprimer des composants directement en mer. Le point de fusion de l'acier inoxydable varie en fonction de la formulation exacte du matériau, qui est un composite, mais se situe entre 1370 °C et 1530 °C. 

Aluminum

L'aluminium est un matériau très prisé pour les pièces légères à faible densité. Avec un point de fusion de 660 °C, il se situe à l'extrémité inférieure des matériaux d'impression 3D métal résistants à la chaleur. 

_{Remarque : la résistance à la chaleur se réfère au point de fusion pour tous les matériaux.}