Certains pourraient croire que le plastique est le seul matériau utilisé en impression 3D, mais une grande variété de matériaux est en réalité disponible avec cette technologie. Chaque procédé d’impression 3D correspond à un type spécifique de matériau. Les imprimantes 3D de type FDM (dépôt de matière fondue) utilisent principalement des filaments plastiques, tandis que les machines SLA (stéréolithographie) utilisent des résines liquides et les systèmes à laser utilisent des poudres polymères ou métalliques. En impression 3D, on distingue deux grandes familles de matériaux : les plastiques, les métaux, mais aussi les céramiques et les matières organiques telles que les cires, les tissus et les cellules. Dans cet article, nous allons examiner les caractéristiques et les utilisations des principaux matériaux utilisés en fabrication additive.
Les matériaux plastiques
Parmi les thermoplastiques les plus utilisés en FDM (dépôt de matière fondue), on retrouve deux consommables dominants : le PLA et l’ABS. Ces polymères deviennent mous et malléables lorsqu’ils sont chauffés, puis redeviennent solides en refroidissant.
PLA
Le PLA est le matériau le plus couramment utilisé en impression 3D FDM avec dépôt de fil. Écologique car d’origine végétale (amidon de maïs, racine de manioc et betterave), ce plastique biodégradable et non toxique dégage une légère odeur sucrée pendant l’impression. Si le PLA est pur et que l’extrudeur de l’appareil est en acier inoxydable, il peut être utilisé pour imprimer des objets destinés à être en contact avec des aliments.
Une bobine de 1kg de PLA de 1,75 mm mesure en moyenne 330 mètres et 115 mètres en 3 mm.
Température d’impression : entre 190 et 210 °C / Plateau chauffant optionnel
Densité : 1,25g/cm3
Points forts : Ne dégage pas de mauvaise odeur et facile à imprimer
Points faibles : Sensible à l’humidité et à la chaleur
ABS
Fabriqué à base de pétrole, l’ABS est le matériau le plus polyvalent car compatible avec presque toutes les imprimantes 3D, y compris les dérivés de RepRap et ceux de MakerBot, Ultimaker, Bits de Bytes, Airwolf3D, etc. L’ABS, qui est soluble dans l’acétone, permet de souder les pièces métalliques avec une goutte ou deux, ou de lisser et créer un effet brillant en brossant ou en trempant les pièces entières dans l’acétone. Sa force, sa souplesse et sa meilleure résistance à la température en font le matériau préféré des ingénieurs et des applications professionnelles.
Une bobine de 1kg d’ABS de 1,75 mm mesure en moyenne 410 mètres et 140 mètres en 3 mm.
Température d’impression : entre 220 et 260 °C / Plateau chauffant entre 60 et 110 °C
Densité : 1,01g/cm3
Points forts : Matériau polyvalent et particulièrement résistant, supporte bien les écarts de température
Points faibles : Odeurs pendant l’impression et parfois sujet au phénomène de warping (décollement des bords de la pièce et déformation)
Pour ces deux matériaux, le prix moyen d’une bobine de 1 kg est d’environ 20€. Le prix varie selon la couleur, le type de filament et la marque. Certaines imprimantes fonctionnent avec leurs propres matériaux propriétaires.
PVA et HIPS : les matériaux de support
Pour une impression 3D de type FDM, il est nécessaire de prévoir un support appelé “raft” (ou “ratier”). Il s’agit d’une grille qui soutient la pièce sur le plateau pendant l’impression pour la maintenir stable. Il existe également des structures de soutien, semblables à des échafaudages, qui permettent de soutenir les parties en surplomb, comme le bras d’une figurine par exemple.
Les matériaux les plus utilisés pour le support sont le PVA et l’HIPS (polystyrène à haute résistance aux chocs). Ces deux matériaux peuvent se dissoudre dans l’eau ou avec du D-Limonene (un solvant) en 24 heures. Le D-Limonene s’utilise avec l’ABS qui possède les mêmes températures d’extrusion et de plateau ; ce matériau convient donc uniquement aux imprimantes 3D à double extrudeur.
Température d’impression du PVA : entre 190 et 210 °C / Plateau chauffant optionnel
Points forts : Facile à imprimer et inodore
Points faibles : Sensible à l’humidité
Température d’impression de l’HIPS : entre 220 et 260 °C / Plateau chauffant entre 60 et 110 °C
Points forts : Bonne finition et généralement moins cher que le PVA
Points faibles : Parfois sujet au warping
Environ 30 € la bobine de 500 g pour le PVA et 25 € pour l’HIPS.
La poudre de polyamide
Ce matériau est notamment utilisé pour imprimer des prototypes en plastique blanc, par un procédé d’impression 3D par frittage laser. Ce procédé utilise un faisceau laser qui sculpte l’objet en fusionnant les grains qui se solidifient sous l’effet de la chaleur.
La finition de la pièce nécessite généralement un polissage. La poudre de polyamide offre un niveau élevé de détail et confère aux impressions un aspect sableux, granuleux et légèrement poreux. Les pièces peuvent ensuite être colorées en les plongeant dans un bain de teinture adapté. Ce matériau est principalement utilisé pour la fabrication de mécanismes et d’engrenages, mais convient également aux objets en contact avec les aliments.
Entre 50 et 100 € le kg.
La poudre d’alumide
L’alumide est un mélange de polyamide et d’aluminium. Ce matériau offre l’avantage de pouvoir réaliser des pièces à la fois très solides et très flexibles, avec une résistance à la chaleur importante. Son impression se fait par frittage laser avec des particules d’alumine de 60 µm (micromètres). Les pièces imprimées nécessitent ensuite diverses finitions, telles que le polissage ou le meulage.
La résine liquide
Diverses technologies d’impression 3D par “stéréolithographie” utilisent des résines liquides photosensibles, telles que le SLA, le DLP ou le PolyJet. Ces imprimantes 3D utilisent une source de lumière, telle qu’un laser, un projecteur ou une lumière UV, pour transformer des matériaux liquides en plastique solide.
Les pièces imprimées selon ce procédé sont caractérisées par leur grande précision et leur surface lisse. Bien que la palette de couleurs soit plus restreinte que dans d’autres procédés, l’impression 3D résine permet désormais d’obtenir un large éventail de couleurs, telles que le rouge, le bleu, le jaune et le vert. Certains procédés industriels, comme la technologie Polyjet de Stratasys, permettent même de combiner des millions de couleurs.
Des résines plus avancées existent également pour des applications techniques spécifiques, comme la dentisterie ou l’ingénierie. Les résines en impression 3D nécessitent généralement un processus de post-traitement, comprenant un nettoyage à l’alcool isopropylique et une durcissement, pour obtenir des résultats optimaux.
Le prix de ces résines varie beaucoup, entre 100 € et 600 € le litre.
Les cires
La cire est un matériau composé de polymère et qui fond comme les autres plastiques. Elle est principalement utilisée en bijouterie et en dentisterie pour la création de moules dans lesquels sont ensuite coulés d’autres matériaux, tels que le métal ou la céramique.
Les pièces fabriquées à partir de cire sont généralement plus précises que celles obtenues avec les méthodes traditionnelles, et présentent une meilleure qualité de surface que le FDM. Elles sont lisses, sans porosité excessive, limitant ainsi les craquelures. Ce matériau permet de reproduire des produits fins, comme les alvéoles d’un nid d’abeilles, avec un rendu quasi-parfait. Cependant, la solidité et la souplesse sont ses points faibles.
La gamme Visijet de 3D Systems est l’une des cires les plus connues sur le marché. Elle permet notamment la fabrication de moules pour la fonderie. D’autres cires, comme la Dentcast, sont spécifiquement destinées aux moules dentaires.
Les poudres métalliques
Après les plastiques, les métaux sont les matériaux les plus utilisés en impression 3D, principalement par les industriels. Les métaux les plus utilisés sont le titane, l’acier inoxydable, l’aluminium, le cobalt, le fer et les métaux précieux tels que l’or et le platine. La fabrication additive permet de produire des pièces métalliques aux géométries plus complexes que celles obtenues avec les techniques de fabrication traditionnelles, telles que le fraisage ou le moulage.
Les objets en métal sont généralement imprimés à partir de poudres métalliques fusionnées avec un laser (procédé DMLS). En combinaison avec l’optimisation topologique, l’impression 3D permet de produire des pièces plus légères et plus résistantes que les pièces traditionnelles, grâce à des géométries optimisées et à l’absence de fixations. Cela intéresse particulièrement les secteurs de l’aéronautique, de l’automobile et de la médecine, en raison de leurs besoins en matière de performance et d’économie de carburant.
L’acier inoxydable est le métal le plus couramment utilisé en fabrication additive. Il se caractérise par sa résistance élevée à la corrosion. Parmi les poudres d’acier inoxydable les plus connues, citons le M1, le PH1 et le StainlessSteel GP1 du constructeur EOS.
L’acier d’outillage maraging est un acier inoxydable martensitique de grande solidité, utilisé notamment pour la fabrication d’outils et de moules dans les domaines de l’aéronautique, de l’astronautique et de l’automobile. EOS propose par exemple l’acier martensitique MS1, capable de produire des pièces d’une résolution supérieure à celle de l’acier d’outillage SLS A6.
Les pièces en titane et en alliages de titane sont réputées pour leur légèreté, leur solidité et leur résistance à la corrosion élevée. Les techniques traditionnelles appliquées à ce matériau sont coûteuses et moins fiables que la fabrication additive. La fabrication additive est donc de plus en plus utilisée dans les secteurs de l’automobile, de l’aéronautique et de la médecine. Les alliages de titane, tels que le Ti6Al4V, sont plus solides que le matériau original pur. Cet alliage biocompatible est utilisé pour fabriquer des implants sur mesure, sa porosité naturelle permettant aux cellules osseuses de le coloniser efficacement.
L’aluminium est également utilisé en impression 3D, notamment avec l’alliage AlSi10Mg, qui est à la fois très léger et très solide. Il est principalement utilisé pour la fabrication de moules à parois fines et aux géométries complexes. L’alumide, une poudre à base de polyamide et d’aluminium, permet de produire des pièces à la fois très solides et très flexibles, avec une résistance à la chaleur importante.
Le cobalt chrome peut également être imprimé en 3D grâce à la technique EBM (Electron Beam Melting), qui consiste à fusionner une poudre avec un faisceau électron. Cet alliage est résistant à l’usure et à la corrosion, et est utilisé pour la fabrication d’outillage ou de moules.
Enfin, les matériaux précieux tels que l’or, le platine ou le titane peuvent être directement imprimés en 3D via des poudres frittées par laser. Toutefois, le plus souvent, ces métaux sont coulés dans des moules fabriqués par impression 3D. Cette technique est principalement utilisée en bijouterie, où l’on pratique une technique de moulage appelée “moulage à la cire perdue”.
