Guide des matériaux d’impression 3D : types, applications et propriétés

Des dizaines de matériaux plastiques sont disponibles pour l’impression 3D. Chacun a ses propres qualités pour des utilisations bien spécifiques. Pour simplifier le choix du matériau le mieux adapté à une pièce ou un produit donnés, nous allons d’abord présenter les deux principaux types de plastiques et les différents procédés d’impression 3D.

Il existe deux principaux types de plastiques :

• Les thermoplastiques sont les plus utilisés. La caractéristique principale qui les différencie des plastiques thermodurcissables est qu’ils peuvent subir de nombreux cycles de fusion et de durcissement. Les thermoplastiques peuvent être chauffés et mis en forme dans la géométrie désirée. Le processus est réversible parce qu’il ne fait pas intervenir de liaisons chimiques, ce qui permet le recyclage ou la refonte des thermoplastiques, ainsi que leur réutilisation. Une analogie courante des thermoplastiques est le beurre, qui peut fondre, puis solidifier et fondre à nouveau. A chaque cycle de fonte, les propriétés changent légèrement.

• Les plastiques thermodurcissables (ou thermodurcis) conservent leur état solide après polymérisation. La réticulation chimique des polymères des matériaux thermodurcissables s’établit pendant la polymérisation, qui est déclenchée par la chaleur, la lumière ou une irradiation appropriée. Les thermodurcissables se décomposent à la chaleur plutôt qu’ils ne fondent et ils ne se reforment pas lorsqu’ils sont refroidis. Le recyclage ou le retour aux composants d’origine du matériau thermodurcissable est impossible. Un matériau thermodurcissable est comme la pâte d’un gâteau : une fois cuite, elle ne peut redevenir de la pâte.

Les trois procédés d’impression 3D les plus utilisés actuellement sont les suivants :

• Les imprimantes 3D par dépôt de filament fondu (FDM) fabriquent les pièces en extrudant des filaments thermoplastiques fondus, qu’une buse dépose couche par couche sur la zone de fabrication.

• Les imprimantes 3D stéréolithographique (SLA) utilisent un laser pour transformer des résines liquides thermodurcissables en plastique durci par le processus dit de photopolymérisation.

• Les imprimantes 3D à frittage sélectif par laser (SLS) utilisent un laser de forte puissance pour fondre de petits grains de poudre thermoplastique.

Le procédé FDM, ou dépôt de fil fondu, également connu sous le nom de fabrication par filament fondu (FFF), est le procédé le plus utilisé au niveau des consommateurs, du fait de l’émergence des imprimantes 3D de loisir. 

Ce procédé convient bien à la fabrication de modèles de démonstration de faisabilité, des prototypes rapides et peu coûteux de pièces simples, telles que celles qui doivent être normalement usinées.

Comparé aux autres procédés d’impression 3D plastique, 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 de pièces avec des parties complexes. La finition de surface peut être améliorée par des procédés de polissage chimique ou mécanique. Les imprimantes 3D FDM industrielles utilisent des supports solubles pour atténuer certains de ces problèmes. Elles travaillent avec une gamme plus large de thermoplastiques techniques, voire avec des composites, mais leur coût est nettement plus élevé.

Comme les filaments fondus forment chaque couche, des cavités peuvent parfois rester entre les couches, lorsqu’elles n’ont pas totalement adhéré entre elles. Cela forme donc des pièces anisotropes, une caractéristique à prendre en compte lorsque vous concevez des pièces qui doivent supporter du poids ou résister à des tractions.

Les matériaux d’impression 3D FDM les plus répandus sont l’ABS, le PLA et leurs variantes. Les imprimantes FDM les plus avancées peuvent aussi traiter d’autres matériaux spécialisés qui offrent des propriétés de résistance à la chaleur, à l’impact, aux produits chimiques, ainsi qu’une certaine rigidité.

La stéréolithographie a été l’une des premières techniques d’impression 3D, inventée au début des années 1980. Elle reste l’une des plus utilisées par les professionnels. 

Les pièces imprimées par stéréolithographie ont l’exactitude et la résolution les plus hautes, les détails les plus précis et les finitions de surface les plus lisses de tous les procédés d’impression 3D plastique. L’impression 3D en résine est une très bonne option pour les prototypes très détaillés nécessitant des tolérances serrées et des surfaces lisses, tels que des moules, des modèles et des pièces fonctionnelles. Les pièces imprimées par stéréolithographie peuvent aussi être extrêmement polies et/ou peintes après impression, pour donner des pièces finales avec des finitions de surface très détaillées.

Les pièces produites par impression 3D SLA sont en général isotropes. Leur solidité est plus ou moins cohérente, quelle que soit leur orientation, car les liens chimiques se créent entre chaque couche. Cela permet d’obtenir des pièces aux propriétés mécaniques prévisibles, essentielles pour les applications comme des gabarits et fixations, des pièces finales et des prototypes fonctionnels.

L’impression 3D SLA est très polyvalente. Elle propose des formulations de résine dotées d’une vaste gamme de propriétés optiques, mécaniques et thermiques qui correspondent aux thermoplastiques standards utilisés en ingénierie et dans l’industrie.

L’impression 3D à frittage sélectif par laser (SLS) est appréciée des ingénieurs et fabricants de divers secteurs pour sa capacité à produire des pièces fonctionnelles et solides. Un faible coût par pièce, une productivité élevée et des matériaux bien rodés sont les caractéristiques qui la rendent idéale pour bon nombre d’applications parmi lesquelles le prototypage rapide et la fabrication de séries de petite taille, de complément ou sur mesure.

La poudre non fondue supporte la pièce pendant l’opération, ce qui évite d’avoir à lui ajouter des structures de support. En cela, le procédé SLS est idéal pour des pièces à géométrie complexe, présentant des formes internes ou en creux, des contre-dépouilles ou des parois fines. 

Les pièces produites par SLS, comme celles imprimées par SLA, sont en général plus isotropes que les pièces imprimées par FDM. Les pièces fabriquées par SLS présentent des surfaces légèrement rugueuses, dues aux particules de poudre, mais les lignes de couches ne sont presque pas visibles.

Le choix de matériaux pour le SLS est limité, en comparaison avec le FDM et la SLA. En revanche, les matériaux disponibles ont d’excellentes caractéristiques mécaniques, dont la solidité se rapproche des pièces obtenues en moulage par injection. Le matériau le plus utilisé en SLS est le nylon, thermoplastique courant en ingénierie, dont les propriétés mécaniques sont excellentes. Le nylon est léger, solide et flexible. Il résiste également aux chocs, aux produits chimiques, à la chaleur, aux UV, à l’eau et à la saleté.

Au-delà des plastiques, de nombreux procédés d’impression 3D sont disponibles pour des objets en métal. 

• FDM en métal

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 fourneau pour en retirer le liant. 

• La fusion sélective par laser (SLM) et le frittage direct par laser du métal (DMLS) 

Les imprimantes à fusion sélective par laser et à frittage direct par laser du métal fonctionnent comme les imprimantes SLS, mais au lieu de fondre des poudres en polymère, elles fondent des particules de poudre de métal couche par couche à l’aide d’un laser. Ces imprimantes 3D peuvent créer des produits en métal solides, précis et complexes. Ce procédé est donc idéal pour l’aérospatiale, l’automobile et les applications médicales.

• Le Titane est léger et présente d’excellentes propriétés mécaniques. Il est solide, dur et très résistant à la chaleur, à l’oxydation et à l’acide.

• L’acier inoxydable offre une grande résistance, une grande ductilité et résiste à la corrosion.

• L’aluminium est léger, durable, solide et présente de bonnes propriétés thermiques.

• L’acier à outils est un matériau dur et résistant aux rayures, destiné à imprimer des outils d’utilisation finale et autres pièces très solides.

• Les alliages de nickel offrent une grande solidité à la traction, au fluage et à la rupture et résistent à la chaleur et à la corrosion.

L’impression 3D en métal est significativement plus chère et complexe que les technologies d’impression 3D plastique, ce qui limite son accessibilité pour la plupart des entreprises.

Au contraire, l’impression 3D SLA convient très bien aux processus de moulage pour produire des pièces métalliques à moindre coût, avec une plus grande liberté de conception et des délais plus courts que les méthodes traditionnelles. 

Une alternative est la galvanoplastie de pièce imprimée par stéréolithographie, qui implique l’enrobage d’un matériau plastique par une couche de métal par électrolyse. Elle combine les meilleures qualités du métal : solidité, conductivité électrique et résistance à la corrosion et à l’abrasion, avec les propriétés spécifiques du matériau primaire (le plus souvent le plastique).

Comment faire le bon choix parmi toutes ces possibilités de matériaux et de techniques d’impression 3D ?

Voici notre méthode en trois étapes pour choisir le bon matériau d’impression 3D pour votre application.

Les plastiques utilisés pour l’impression 3D présentent des caractéristiques chimiques, optiques, mécaniques et thermiques différentes qui déterminent le comportement des pièces imprimées en 3D. Plus l’usage prévu se rapproche d’une utilisation dans le monde réel, plus les performances requises sont importantes.

Une fois identifiées les performances requises pour votre produit, l’étape suivante est la traduction en exigences matérielles, en fonction des propriétés du matériau qui répondra à ces besoins de performance. Vous trouverez généralement ces données sur les fiches techniques des matériaux.

Pour encore plus de détails sur les propriétés des matériaux, consultez notre guide sur les propriétés mécaniques et thermiques les plus courantes.

Une fois les performances requises traduites en matériaux requis, vous devriez le plus souvent arriver à un seul matériau ou à un petit groupe de matériaux qui pourraient convenir à votre application. 

Si plusieurs matériaux remplissent vos conditions, vous pouvez alors prendre en compte plus de paramètres, comme les avantages, les inconvénients et les compromis des différents matériaux et processus pour effectuer votre choix final.