Les filaments composites sont de plus en plus courants. Ces matériaux sont constitués d'une matrice plastique et d'une charge de particules ou de fibres. L'objectif de cette charge peut être très varié, allant de l'augmentation des propriétés mécaniques finales du matériau à l'amélioration de son aspect esthétique ou à l'ajout d'une nouvelle propriété comme la conductivité. On peut ainsi trouver trois types de matériaux composites :
Les matériaux renforcés par des fibres.
Ce sont des matériaux dont l'objectif est d'améliorer les propriétés mécaniques globales de la matrice. La matrice plastique peut être n'importe quel matériau d'impression 3D, tandis que les renforts les plus utilisés sont la fibre de verre, la fibre de carbone et la fibre aramide.
- Fibre de verre : Elle offre une plus grande résistance aux contraintes de traction. Elle a une bonne flexibilité et améliore la résistance à la flexion. Elle fournit une température de travail plus élevée au matériau final.
- Fibre de carbone : Comme la fibre de verre, elle augmente la résistance à la traction et à la flexion, mais offre une plus grande rigidité.
- Fibre d'aramide : Elle se distingue principalement par sa grande résistance aux chocs et à la fatigue.
Les filaments renforcés de fibres sont considérés comme des matériaux techniques et sont principalement destinés à la production de composants fonctionnels performants. En général, on trouve des matériaux dont la charge est comprise entre 10% et 20%.
Image 1 : Une pièce imprimée en 3D avec un nylon renforcé de carbone. Source : Fillamentum
Les matériaux renforcés de fibres les plus courants sont ceux à base de nylon, cependant, il est de plus en plus fréquent de trouver d'autres types de matrices comme l'ABS, le PLA, le PC ou surtout le PETG.
Matériaux avec charges à fonction esthétique
Ce sont des matériaux chargés de différents types de particules et de fibres, dont la fonction principale est de varier la finition esthétique du matériau de base. On peut trouver principalement 4 types de charges :
- Fibres ou particules de bois : ce sont des matériaux fortement chargés en particules ou en fibres végétales dont la fonction est d'apporter une finition de type bois.
- Les particules minérales ou céramiques : Généralement des particules de gypse avec différents colorants. Elles sont utilisées pour obtenir des finitions similaires à la céramique, la pierre ou l'argile.
- Fibres végétales : Principalement utilisées avec le PLA. Leur fonction est de fournir une finition mate.
- Particules phosphorescentes : Le matériau le plus couramment utilisé est la poudre d'aluminate de strontium, qui donne une lueur verte caractéristique. Elle est utilisée dans les filaments "Glow" ou "glow-in-the-dark".
Image 2 : Voiture-jouet imprimée en 3D avec du PLA chargé de fibres de bois. Source : Fillamentum
En général, ces types de charges sont combinés à une matrice PLA pour maximiser la compatibilité avec tous les types d'imprimantes, car l'objectif n'est pas un bon comportement mécanique, mais une finition esthétique spécifique.
Matériaux avec charges apportant de nouvelles propriétés
Dans certains cas, la fonction des charges n'est pas d'améliorer les propriétés de la matrice elle-même, mais de fournir une nouvelle propriété physique. Les plus courantes sont la conductivité grâce à l'utilisation du graphène et le magnétisme grâce aux particules de ferrite, mais il est possible d'en trouver de plus exotiques comme le blindage électromagnétique fourni par le carbure de bore.
Vidéo 1 : Pièce imprimée en 3D avec un filament ferromagnétique. Source : Protopasta
Il s'agit de matériaux moins courants développés pour des applications spécifiques.
Matériaux avec charges métalliques et céramiques pour le sintering
Il s'agit de filaments à forte charge en poudre métallique ou céramique, destinés à l'impression de pièces qui seront ensuite traitées par des traitements de debinding et de sintering. En général, la matrice est composée de matériaux à basse température à base de PLA ou de cires pour faciliter les tâches de déliantage, qui peuvent être thermiques, chimiques ou une combinaison des deux.
Comment imprimer des filaments avec des charges
Sélection du diamètre de la buse
Certains filaments avec charges nécessitent l'utilisation de buses dont le diamètre est supérieur à 0,4. En général, les fabricants de filaments chargés incluent dans la fiche technique la taille minimale recommandée de la buse, cependant, au cas où elle ne serait pas spécifiée, les indications suivantes doivent être prises en compte :
- Fibre de verre : Il est recommandé de toujours utiliser des buses d'au moins 0,6 mm, car elle comprend généralement de grandes fibres.
- Fibre de carbone : Si le filament est spécifié comme contenant des fibres courtes, il est probable qu'une buse de 0,4 mm puisse être utilisée sans risque de colmatage. Si le filament n'est pas spécifié comme contenant des fibres courtes, il est recommandé de commencer avec une buse de 0,6 mm et d'essayer d'utiliser une buse de 0,4 mm une fois que le filament a été imprimé avec succès avec la plus grande buse.
- Fibres d'aramide : Il est recommandé de commencer avec une buse de 0,6 mm et d'essayer d'utiliser une buse de 0,4 mm une fois que le matériau a été imprimé avec succès avec une buse de plus grande taille.
- Fibres ou particules de bois : Il est recommandé de toujours utiliser des buses d'au moins 0,6 mm, voire 0,8 mm dans certains cas.
- Particules minérales ou céramiques : Sauf dans les cas où la charge est très élevée, il est généralement possible d'imprimer ce type de filaments avec des buses de 0,4 mm.
- Fibres végétales : Il est recommandé de commencer avec une buse de 0,6 mm et d'essayer d'utiliser une buse de 0,4 mm une fois que l'impression avec la buse de taille supérieure a été réussie.
- Particules phosphorescentes : Il est généralement possible de les imprimer avec des buses de 0,4 mm.
- Particules avec des charges métalliques ou céramiques : Il y a généralement une assez grande variabilité d'un matériau à l'autre et même entre le même matériau provenant de plusieurs fournisseurs différents. Si le fabricant ne spécifie pas de taille minimale, il est conseillé de toujours commencer avec une buse de 0,6 mm et d'essayer d'utiliser une buse de 0,4 mm une fois que le matériau a été imprimé avec succès avec la buse de taille supérieure. Pour certains matériaux spécifiques, il peut être nécessaire d'utiliser des buses de 0,8 mm.
Image 3 : Buses de différents diamètres. Source : E3D
Utilisation de buses trempées et usure des composants
Il convient de noter que tous les filaments avec charges produisent une usure accrue des composants du hotend et de l'extrudeuse, en particulier de la buse, du brise-chaleur, des roues de l'extrudeuse et des tubes ou inserts en PTFE.
Certains filaments sont particulièrement abrasifs, comme les filaments de fibres de carbone, d'aramide et de verre ou les particules métalliques, céramiques et phosphorescentes. Lors de l'utilisation de ces filaments, il est recommandé d'utiliser des buses trempées.
Image 4 : Comparaison de l'usure des buses avec différents matériaux. Source : 3DVerkstan
Si ce type de filament abrasif est utilisé régulièrement, il est conseillé d'utiliser, en plus des buses trempées, des heatbreaks en matériaux plus résistants comme le titane et des extrudeuses avec des roues en acier trempé. En outre, l'état de ces composants, ainsi que celui des tubes et des inserts en PTFE, doit être vérifié périodiquement et remplacé lorsqu'ils présentent des signes d'usure.
Vitesse et température d'impression
Les filaments renforcés par des charges ont une viscosité plus élevée que leurs homologues non chargés, il est donc conseillé d'utiliser des vitesses d'impression maximales plus faibles. Il peut également être nécessaire d'utiliser des températures d'impression légèrement plus élevées pour réduire la viscosité lorsque des vitesses d'impression élevées sont utilisées.
Adhérence de la base et warping
Les filaments contenant des charges subissent généralement moins de rétrécissement pendant le refroidissement, ce qui les rend moins sujets au warping. Plus la proportion de fibres ou de particules est élevée, plus le rétrécissement est faible.
D'autre part, les charges ont généralement un effet sur l'adhésion du matériau au substrat, qui est légèrement réduite. Il est conseillé d'utiliser des solutions d'adhésion telles que des adhésifs ou des laques lors de l'utilisation de ce type de filaments, en particulier ceux ayant un pourcentage élevé de charges.
Fragilité des filaments
Une caractéristique générale des filaments chargés de particules est leur fragilité accrue, en particulier ceux dont le pourcentage de charge est élevé ou ceux à base de PLA. C'est pourquoi il est très important de bien positionner la bobine, afin que le chemin vers l'extrudeuse soit aussi droit et court que possible. Il est également conseillé d'utiliser des extrudeuses directes, bien que certains de ces filaments puissent également être imprimés dans des imprimantes bowden. Dans ce dernier cas, il est conseillé de positionner les tubes de PTFE de manière à ce qu'ils aient le plus grand rayon de courbure possible, ainsi que de positionner les pièces à l'avant de la base d'impression.
Image 5 : Porte-bobine placé directement sur l'extrudeuse pour une alimentation droite du filament. Source : Raise3D
Les filaments avec charges sont une catégorie spéciale qui englobe des matériaux très divers, et nécessitent généralement des configurations d'impression particulières. C'est pourquoi il est toujours recommandé de consulter toutes les informations fournies par le fabricant et de suivre ses conseils d'impression.
Dans ce guide, les concepts sont traités de manière générale et sans se concentrer sur une marque ou un modèle spécifique, bien qu'ils puissent être mentionnés à un moment donné. Il peut y avoir des différences importantes dans les procédures d'étalonnage ou de réglage entre les différentes marques et modèles, il est donc recommandé de consulter le manuel du fabricant avant de lire ce guide.
