Guide de l'impression 3D en nylon : comparaison des processus, des matériaux et des applications

Le nylon, également connu sous le nom de polyamide ou PA, est un matériau très apprécié des fabricants, des ingénieurs et des concepteurs pour une grande variété d'applications depuis sa première apparition commerciale en 1938. La solidité, la durabilité, la ténacité et l'élasticité du nylon, ainsi que sa résistance à la chaleur, aux produits chimiques, à l'abrasion et aux chocs, lui ont valu un taux d'adoption élevé dans de nombreux secteurs.

Le nylon est également l'un des matériaux d'impression 3D les plus populaires pour la production de pièces solides et fonctionnelles, notamment les prototypes fonctionnels et les pièces d'utilisation finale pour l'électronique, l'automobile, l'aérospatiale, les appareils médicaux, les biens de consommation et bien d'autres encore.

Les procédés de fabrication additive capables d'imprimer en 3D avec du nylon comprennent le frittage sélectif par laser (SLS), la fusion multijet (MJF), et le dépôt de fil fondu (FDM). Pour choisir le bon, il faut avoir une connaissance approfondie des processus et des matériaux d'impression 3D en nylon. Heureusement, nous avons créé ce guide complet.

Bien que le nylon ait été utilisé pour la première fois à des fins commerciales dans les brosses à dents en 1938, il a fait parler de lui pour la première fois lors de l'exposition universelle de 1939 en tant que matériau utilisé pour un nouveau type de bas pour femmes, que l'on a rapidement appelés « nylons ». Ce sont les mêmes qualités qui l'ont rendu si attrayant en tant que fibre textile (élasticité, durabilité et résistance à l'abrasion) qui l'ont rendu si utile pour les fabricants de différents secteurs tels que l'aérospatiale, l'automobile ou les entreprises de biens de consommation et pour tous ceux souhaitant produire des pièces en plastique de longue durée.

Aujourd'hui, le nylon est utilisé dans tous les domaines, des systèmes de ventilation aux équipements de pêche, en passant par les boîtiers de batterie. Au fur et à mesure que le nylon passait du statut de « matériau qui nous a permis de gagner la Seconde Guerre mondiale » à celui de matériau à usage quotidien, des chimistes et des fabricants novateurs ont continué à étendre ses applications.

Les outils courants tels que les rondelles, les boulons, les roulements et les engrenages sont présents dans tous les domaines, des meubles aux équipements sportifs en passant par les voitures et les avions. Les emballages alimentaires contiennent aussi souvent du nylon. En raison de la température et de la résistance électrique du nylon, les fabricants le choisissent souvent pour loger des composants électroniques, sécuriser des composants de moteur et soutenir des applications d'ingénierie haut de gamme. Par exemple, les collecteurs d'admission des voitures sont souvent fabriqués en nylon, tout comme les boîtiers de la plupart des outils électriques. 

Le nylon représente environ 12 % de tous les tissus synthétiques au niveau mondial et reste le principal matériau utilisé dans de nombreux textiles, tapis, cordes et filets.

Le nylon est le nom commercial du polyamide (PA), une classe de thermoplastiques techniques fabriqués à partir d'une liaison amide entre un monomère diacide et un monomère diamine. Leur structure cristalline confère aux polyamides des niveaux élevés d'isotropie et de résistance chimique. Bien que les différents types de nylon présentent des caractéristiques différentes, le nylon est généralement connu pour sa solidité, sa résistance chimique élevée, sa durabilité, sa stabilité dimensionnelle et sa résistance à la chaleur.

Le nylon étant stable et relativement facile à travailler, les fabricants utilisent de nombreuses techniques différentes pour créer des produits en nylon. Les pièces en nylon peuvent être fabriquées à l'aide de divers procédés de fabrication, tels que le moulage par injection, l'extrusion et, désormais, l'impression 3D.

Naturellement, à mesure que la fabrication additive gagnait en popularité et en utilité, l'impression 3D en nylon est devenue un axe majeur de l'innovation. L'impression 3D en nylon apporte une valeur ajoutée aux prototypes fonctionnels, à la fabrication de produits finis et aux pièces personnalisées. De nombreux fabricants d'imprimantes 3D de premier plan ont mis au point des systèmes permettant à leurs clients d'imprimer en 3D du nylon.

Quatre types particuliers de polyamide sont le plus souvent utilisés dans l'impression 3D de nylon : PA-6, PA-66, PA-11 et PA-12. Les matériaux d'impression 3D en nylon peuvent être renforcés avec du verre ou de la fibre de carbone pour améliorer des propriétés spécifiques comme la résistance ou la rigidité, ou pour leur conférer des caractéristiques telles que l'ignifugation et la dissipation des charges électrostatiques.

De nombreuses pièces en nylon, en particulier celles renforcées de verre, peuvent remplacer des pièces métalliques pour l'automobile, l'aérospatiale ou les biens de consommation. En outre, en raison de ses propriétés d'isolation électrique, le nylon est souvent utilisé dans les tubes et les boîtiers électriques tels que les disjoncteurs. Certains nylons, comme le nylon 11, issu de la bio-ingénierie de l'huile de ricin, présentent une élasticité et une résistance à la flexion élevées. 

Grâce à sa bonne résistance à l'abrasion, le nylon est très utile pour des applications telles que les roulements, les boutons-pression et les boucles. De même, le nylon conserve très bien ses caractéristiques de performance dans le temps par rapport à d'autres thermoplastiques. Les avantages du nylon ont créé une forte demande pour les technologies d'impression 3D en nylon afin d'améliorer l'efficacité de la fabrication sans sacrifier les performances du matériau.

Les imprimantes 3D SLS utilisent un laser de forte puissance pour fondre de petites particules de poudre de polymère. La poudre non frittée supporte la pièce pendant l’opération, ce qui évite d’avoir à lui ajouter des structures de supports. En cela, le procédé SLS est idéal pour des pièces à géométrie complexe, présentant des formes internes ou négatives, des contre-dépouilles ou des parois minces. Les pièces fabriquées par SLS présentent d’excellentes caractéristiques mécaniques, leur résistance s’apparentant à celle de pièces moulées par injection.

Le nylon est le principal matériau utilisé dans l'impression 3D SLS. Pour la plupart des entreprises et des particuliers qui cherchent à utiliser la fabrication additive pour tirer parti des avantages du nylon, les imprimantes 3D SLS offriront probablement le meilleur équilibre entre prix et fonctionnalité. 

Lorsque l'impression SLS est terminée, les utilisateurs vident l'ensemble de la chambre de fabrication et extraient les pièces imprimées de la poudre inutilisée, qui peut alors être recyclée afin de minimiser le gaspillage. D'autres techniques de post-traitement SLS peuvent modifier la qualité de la surface, la couleur ou la conductivité des pièces en nylon imprimées en 3D par SLS. 

L'impression 3D SLS était jusqu'à présent excessivement chère, avec un prix de l'ordre de 200 000 €, ce qui limitait les processus d'impression 3D de nylon à base de poudre aux prestataires de services et aux grandes entreprises. Récemment, les dernières imprimantes 3D SLS d'atelier de qualité industrielle, telles que les imprimantes de la série Fuse, permettent désormais aux professionnels de profiter des avantages de l'impression 3D de nylon avec la technologie SLS à partir de 24 999 €. Cela a considérablement réduit les barrières à l'entrée et a permis à un plus grand nombre d'entreprises d'utiliser du nylon imprimé en 3D dans leurs produits et leurs processus de travail, y compris des petites et moyennes entreprises qui auraient difficilement pu décoller autrement.

Les pièces fabriquées en nylon par  3D SLS sont très proches de l'isotropie, c'est-à-dire qu'elles présentent des propriétés matérielles similaires le long de tous les axes lorsqu'elles sont soumises à une contrainte. Ceci est crucial car de nombreuses caractéristiques recherchées dans l'impression 3D de nylon, telles que la résistance et la robustesse, ne se manifestent pleinement que si les pièces sont hautement isotropes. Les imprimantes FDM ne produisent pas de pièces isotropes et peinent souvent à atteindre un niveau de détail acceptable, ce qui fait de la SLS ou de la MJF la seule option pour de nombreux utilisateurs. Toutefois, le MJF et de nombreuses autres technologies SLS affichent des prix exorbitants. 

En outre, de nombreuses pièces idéales pour la production de nylon, telles que les boîtiers encliquetables et les boîtiers électriques, nécessitent une qualité de détail moyenne à élevée, qui ne peut être obtenue qu'avec l'impression 3D SLS ou MJF. 

Le nylon 12 et le nylon 11 sont les poudres monocomposantes les plus courantes pour l'impression 3D SLS. Le nylon 12 est le matériau de référence compatible avec pratiquement toutes les imprimantes 3D SLS, tandis que le nylon 11 nécessite une infrastructure d'impression un peu plus complexe. 

Les deux variantes peuvent également être renforcées avec d'autres matériaux tels que la fibre de verre ou de carbone pour créer des composites aux propriétés spécifiques, comme une résistance et une rigidité accrues, mais la disponibilité de ces matériaux plus spécialisés dépend fortement du type d'imprimante. 

Les matériaux suivants sont compatibles avec la Fuse 1+ 30W :

Étant donné la diversité des imprimantes SLS disponibles sur le marché, il n'existe pas de directives universelles pour l'impression du nylon avec cette technologie. En règle générale, les systèmes d'impression SLS les plus grands et les plus coûteux peuvent nécessiter un espace physique extrêmement réglementé, une infrastructure électrique spécialisée et un technicien d'imprimante 3D interne ayant suivi une formation approfondie dispensée par le fabricant de l'imprimante 3D. 

D'autre part, les options « plug-and-print » telles que la série Fuse de Formlabs peuvent être utilisées dans des environnements d'atelier normaux, ne nécessitent qu'une formation minimale pour être utilisées et ont un encombrement relativement faible. Pour que l’écosystème de l’appareil soit compact et fermé, les imprimantes de la série Fuse se combinent à une station tout-en-un de récupération de la poudre, la Fuse Sift, qui réalise à elle seule l’extraction des pièces ainsi que la récupération, le stockage et le mélange de la poudre, et à la Fuse Blast, une solution de nettoyage et de polissage entièrement automatique.

Le flux de travail des imprimantes 3D SLS de la série Fuse de Formlabs permet également de passer relativement facilement d'une poudre de nylon à l'autre, après un nettoyage complet de l'imprimante et de l'unité de post-traitement qui l'accompagne. Le passage d'un matériau à un autre avec les imprimantes de la série Fuse peut prendre moins de trois heures, ce qui permet d'essayer de nouvelles poudres de nylon sans coûts ou difficultés excessifs. Avec la série Fuse et la Fuse Sift, les utilisateurs peuvent essayer n'importe quel nouveau matériau sans avoir à acheter un écosystème entièrement nouveau. 

L'impression 3D par fusion multijet (MJF) est un procédé de fabrication additive par fusion sur lit de poudre qui produit des pièces similaires à celles obtenues par SLS en utilisant un processus légèrement différent. Pour former les pièces, l'imprimante distribue un agent liant liquide à partir de nombreuses petites buses sur le lit de poudre, amenant ainsi les poudres à un état semi-solide avant de terminer le processus par la chaleur. La source de chaleur infrarouge vient ensuite durcir la poudre semi-solide avant qu'une autre couche ne soit déposée et que le processus ne se répète. Le processus MJF a été breveté par Hewlett Packard en 2016, et HP reste le seul fournisseur d'imprimantes 3D utilisant le MJF. 

Les imprimantes MJF sont relativement rapides, bien que le temps de refroidissement de la chambre de fabrication soit généralement deux fois plus long que l'impression. Le procédé MJF est moins efficace et génère plus de déchets que la technologie SLS, car les pièces ne peuvent pas être serrées les unes contre les autres dans la chambre de fabrication.

Alors que les imprimantes 3D SLS sont devenues plus abordables, les prix des imprimantes 3D MJF varient de 340 000 à plus de 500 000 €. Par conséquent, elles sont principalement utilisées par les prestataires de service et les grands laboratoires internes de fabrication additive des entreprises du classement Fortune 500.

Pour une comparaison approfondie des deux technologies, lisez notre guide MJF vs. Guide SLS.

Le MJF et le SLS présentent de nombreux avantages. Aucun des deux processus ne nécessite de structures de support, ce qui évite aux utilisateurs des étapes de post-traitement compliquées et coûteuses. Tout comme la technique SLS, l'impression 3D de pièces en nylon à l'aide d'imprimantes MJF permet d'obtenir des pièces présentant une bonne finition de surface et des propriétés matérielles isotropes. 

Comme les imprimantes 3D SLS, les imprimantes 3D MJF produisent des pièces à partir de poudres de nylon 12 et de nylon 11. HP propose également du nylon 12 renforcé de fibres de verre pour une plus grande rigidité ; cependant, il n'existe actuellement aucune option de nylon renforcé de fibres de carbone pour l'impression 3D MJF.

L'utilisation de la technologie MJF en interne nécessite la présence d'un technicien spécialisé dans l'impression 3D. Des techniciens professionnels sont également nécessaires pour installer et entretenir l'imprimante. Les imprimantes HP MJF nécessitent une infrastructure électrique spécialisée et un espace dédié pour accueillir les machines de grande taille. Comme les imprimantes SLS, les solutions d'impression MJF comprennent du matériel de post-traitement supplémentaire pour la gestion des poudres et la récupération des pièces. 

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. Les imprimantes 3D FDM fabriquent des pièces en faisant fondre et en extrudant un filament thermoplastique à travers une buse d'imprimante qui dépose le filament couche par couche dans la zone de fabrication.

Les imprimantes 3D FDM utilisent généralement des filaments PLA et ABS, mais les machines FDM plus adaptées aux professionnels peuvent souvent aussi imprimer du nylon. Toutefois, les avantages et les inconvénients de la technologie FDM restent d'actualité, car les imprimantes FDM ont du mal à produire des pièces qui tirent parti de tous les avantages du nylon.

Les pièces FDM n'étant pas isotropes le long de l'axe Z, de nombreux avantages liés à la résistance du nylon ne sont pas accessibles lorsque l'on utilise le FDM pour imprimer en 3D du nylon. Le nylon imprimé sur une machine FDM a également tendance à se déformer, tout comme l'ABS.

En outre, le nylon étant très hygroscopique, le filament peut absorber de l'eau au cours d'une longue impression, ce qui entraîne une qualité inférieure des couches imprimées ultérieurement par rapport aux premières. Des accessoires tels qu'une boîte sèche sont recommandés pour éviter que le filament n'absorbe de l'eau pendant l'impression.

Comme pour l'impression FDM avec d'autres matériaux, identifier les paramètres optimaux pour l'impression 3D avec du nylon nécessite généralement des tests approfondis. Il peut donc être difficile de mettre au point des processus reproductibles et de produire des résultats cohérents pour différents types de matériaux d'impression 3D en nylon. Les propriétés des pièces finies, telles que la résistance et la précision, peuvent varier. Ainsi, la technique FDM n'est pas recommandée pour le prototypage fonctionnel à grande échelle ou la production de pièces finales en nylon.

L'impression FDM peut être une bonne option pour imprimer rapidement des pièces uniques et simples en nylon, mais elle n'est pas adaptée aux pièces complexes et aux volumes plus importants. Comme elle requiert des structures de support, elle génère également beaucoup plus de déchets que l'impression SLS ou MJF.

Les filaments de nylon sont le plus souvent basés sur le nylon 6 et le nylon 66, car ils sont légèrement plus faciles à imprimer, mais il existe également des filaments de nylon 12. La plupart des nylons adaptés à l'impression FDM existent en versions renforcées par des fibres de verre ou de carbone, ce qui permet d'accroître la rigidité, la résistance et d'autres propriétés mécaniques essentielles. 

Parmi les options actuellement disponibles sur le marché du FDM, de nombreux modèles abordables sont capables d'imprimer en 3D du nylon dès leur installation. Cependant, même avec ces modèles, les utilisateurs doivent s'assurer que leur configuration matérielle et leur processus d'impression prennent en charge l'impression 3D en nylon.

Recommandations concernant le matériel et les réglages pour l'utilisation de la technologie FDM pour l'impression 3D de nylon :

• Tête de chauffe entièrement métallique
• Capacité à chauffer le filament à 250° C ou plus
• Lit d'impression (idéalement en verre) chauffé par l'application de colle
• Boîtier fermé pour éviter les déformations
• Système de séchage du filament pour obtenir des résultats optimaux

En raison de la forte absorption d'eau par le nylon, les bobines de filament doivent être conservées dans un récipient en plastique étanche à l'air, et l'utilisation d'un déshydratant avant d'imprimer avec du nylon peut accroître la fiabilité et la qualité.