Filaments solubles pour support

L'une des principales limites de l'impression 3D FFF par rapport aux autres technologies de fabrication additive est la nécessité que la zone imprimée de chaque couche soit supportée par une couche imprimée précédente. Cela signifie que toute partie ayant un surplomb supérieur à 45º ou tout pont de plus de 10 mm de long nécessite des structures de soutien.

Dans les imprimantes 3D FFF à extrusion unique, la seule option pour générer des structures de support est d'utiliser le même matériau d'impression que la pièce. Ces supports doivent être enlevés mécaniquement une fois l'impression terminée, et diverses stratégies sont utilisées pour faciliter cette tâche, comme la fabrication de ces supports avec des structures de faible densité et la présence d'une couche de séparation entre le support et la pièce. Grâce à cela, les supports peuvent être retirés manuellement sans l'aide d'outils, bien que les finitions des surfaces en contact avec les supports soient souvent peu soignées.

Image 1 : Supports des pièces imprimées en 3D. Source : 3DHubs

Dans les imprimantes 3D FFF à double extrudeur, l'éventail des options s'élargit, car il n'est pas nécessaire d'utiliser le même matériau pour la pièce et pour les supports. Cela ouvre la porte à l'utilisation de matériaux solubles dans des solvants qui ne dissolvent pas le matériau de la pièce. Cela permet d'utiliser des supports denses en contact avec la pièce qui garantissent une excellente finition de la surface de contact.

Image 2 : Double extrudeur de Raise3D Pro2. Source : Raise3D

Il existe de nombreux filaments de support solubles, mais tous ne sont pas identiques ou n'ont pas la même compatibilité. Lors du choix d'un matériau de support soluble, il est important de prendre en compte un certain nombre de caractéristiques pour assurer la compatibilité avec le support utilisé. Ces caractéristiques sont :

• Il doit être soluble dans un solvant qui n'endommagera pas ou n'altèrera pas les propriétés du matériau utilisé dans la pièce.
• Il doit être thermiquement compatible avec le filament de la pièce, c'est-à-dire qu'il doit avoir des températures d'impression et de base similaires, ainsi que des températures de ramollissement similaires.
• Il doit avoir une bonne adhérence avec le matériau utilisé dans la pièce.
• Il doit être facilement imprimable et avoir une bonne adhérence entre les couches.

Actuellement, il est possible de trouver principalement trois types de matériaux de support solubles :

• Filaments solubles dans les solvants organiques
• Filaments solubles dans l'eau grâce à l'utilisation d'un activateur
• Filaments solubles dans l'eau

FILAMENTS SOLUBLES DANS LES SOLVANTS ORGANIQUES.

Il s'agit de matériaux ayant des propriétés similaires à celles du matériau utilisé dans la pièce, mais qui peuvent être dissous dans un solvant qui n'attaque ni ne dissout le matériau qu'ils complètent.

Actuellement, il n'existe pas beaucoup d'options pour ce type de filaments, principalement en raison de deux problèmes : d'une part, les matériaux ayant des propriétés physico-chimiques similaires qui les rendent compatibles entre eux font qu'en général, leur comportement dans la plupart des solvants est similaire, de sorte qu'il est difficile de trouver un solvant approprié. D'autre part, beaucoup de ces solvants organiques sont très toxiques ou ne sont pas accessibles à la majorité des utilisateurs, et nécessitent un traitement spécialisé des déchets.

Image 3 : D-Limoneno. Source : Filament2print

Le filament de ce type le plus couramment utilisé est le HIPS, dont les propriétés le rendent compatible avec la plupart des matériaux à base d'ABS et d'ASA. En plus d'avoir des propriétés thermiques similaires, il a une bonne adhérence avec celles-ci. Il est actuellement l'un des supports les plus utilisés, non seulement en raison de sa compatibilité avec l'ABS, mais aussi de son faible coût et parce qu'il est soluble dans le D-Limoneno, un solvant organique accessible, peu coûteux et peu toxique.

FILAMENTS SOLUBLES DANS L'EAU GRÂCE À L'UTILISATION D'UN ACTIVATEUR.

Il s'agit de polymères à base d'ATP (terpolymères d'acrylate). Ce type de matériaux a la caractéristique d'être soluble dans les solutions alcalines. Ils ont une excellente compatibilité avec les matériaux à base d'ABS et d'ASA, et peuvent également être utilisés avec le polycarbonate (bien que leur compatibilité soit un peu plus faible).

Ils ne sont pas directement solubles dans l'eau, car ils nécessitent que l'eau ait un pH alcalin. Il est donc nécessaire d'utiliser un activateur constitué d'un tampon, tel que 3DWash.

Image 4 : 3DWash. Source : Traxer

Ils constituent une parfaite alternative aux HIPS, non seulement parce qu'ils ne nécessitent pas l'utilisation de solvants organiques, mais aussi parce que ce sont des filaments développés et additivés spécifiquement pour être utilisés comme matériau de support, de sorte qu'ils se dissolvent généralement plus rapidement et laissent moins de résidus sur la pièce.

Vidéo 1 : Présentation vidéo de PolyDissolve S2. Source : Polymaker

Quelques filaments représentatifs sont le PolyDissolve S2 et le Z-SUPPORT ATP.

FILAMENTS SOLUBLES DANS L'EAU

L'un des principaux objectifs des fabricants a été d'obtenir des filaments de support directement solubles dans l'eau. En effet, il ne requiert pas de solvants organiques ou de solutions alcalines, ce qui en fait la solution la plus sûre et la plus accessible pour la plupart des utilisateurs.

C'est pourquoi c'est la catégorie qui présente la plus grande variété de matériaux différents, et dont les options sont compatibles avec un large éventail de filaments.

Parmi les filaments solubles dans l'eau, on peut en distinguer deux types :

Filaments solubles dans l'eau compatibles avec les matériaux à basse température : il s'agit de filaments à base de PVA (alcool polyvinylique) ou de BVOH (alcool vinylique butènediol). Les deux matériaux ont une excellente compatibilité avec le PLA et peuvent être utilisés avec le PA (bien que leur compatibilité ne soit pas si bonne). Le BVOH peut être considéré comme une évolution du PVA et présente un certain nombre d'avantages par rapport à celui-ci, comme une plus grande compatibilité avec le PETG ou même avec certains filaments souples et un taux de dissolution plus élevé dans l'eau froide. Certains filaments PVA sont LAY-PVA ou PVA Raise, tandis que Mowiflex ou Z-SUPPORT Premium sont basés sur BVOH.

Vidéo 2 : Comparaison entre le PVA et le BVOH. Source : BCN3D

Filaments solubles dans l'eau compatibles avec les matériaux à haute température : ce sont les filaments de support les plus avancés actuellement disponibles. Ils sont constitués d'un matériau composé d'un mélange d'un polymère hydrosoluble (semblable aux précédents) et d'un sucre, généralement le tréhalose, un polysaccharide rapidement soluble dans l'eau et présentant une grande stabilité thermique. La proportion entre le polymère et le sucre, ainsi que l'utilisation de certains additifs spécifiques de chaque fabricant, permet d'obtenir différentes formulations de matériaux hydrosolubles compatibles avec des matériaux dans une large gamme de températures, de l'ABS au PEEK ou à l'ULTEM.

Image 5 : Pièce de PA-CF avec supports en Aquatek X1. Source : 3DXTech

Certains filaments tels que Aquasys 120 ou Aquatek X1 sont compatibles avec le PLA ainsi qu'avec l'ABS, l'ASA, le PA, le PETG ou certains filaments flexibles. Aquasys 120 peut également être utilisé avec un PC ou un PP. En outre, les deux matériaux peuvent résister à des températures de chambre allant jusqu'à 120°C et sont donc également adaptés à une utilisation dans les imprimantes industrielles.

Une étape au-dessus est Aquasys 180, probablement le matériel de support le plus avancé et le plus compatible disponible aujourd'hui. En plus d'être compatible avec les mêmes matériaux qu'Aquasys 120, il peut être utilisé avec le PEKK, le PEEK, l'ULTEM et le PPSU car il peut supporter des températures de chambre allant jusqu'à 180°C.

Image 6 : Pièce avec supports réalisée en Aquasys 180. Source : Infinite Material Solutions

Cependant, le principal avantage de ce type de filaments (leur grande solubilité dans l'eau) est aussi leur principal inconvénient, car ils sont très sensibles à l'humidité ambiante. Il est donc nécessaire de conserver ce type de filaments dans des conteneurs spéciaux, tant pendant le stockage que pendant l'utilisation. De plus, comme ces filaments absorbent l'humidité, leur adhérence se détériore et le risque de colmatage augmente.

COMMENT CHOISIR LE FILAMENT SOLUBLE LE PLUS APPROPRIÉ.

Lors de la sélection du filament soluble le plus approprié, il est nécessaire d'analyser le matériau qu'il va compléter.

• ABS/ASA : En général, il est conseillé d'éviter l'utilisation des HIPS car il implique la manipulation de solvants organiques et génère des déchets qui ne peuvent être éliminés directement. Dans ce cas, l'option la plus recommandable est l'utilisation de filaments ATP solubles dans l'eau au moyen d'un activateur. Ils ont une excellente compatibilité avec ces matériaux et sont peu sensibles à l'humidité, ce qui facilite leur stockage et leur utilisation, tout en minimisant le risque de défaillance de l'impression.

• PLA : Les matériaux les plus compatibles avec le PLA sont ceux à base de PVA et de BVOH. Parmi ceux-ci, ceux à base de BVOH sont moins sensibles à l'humidité, bien qu'en général ceux à base de PVA soient légèrement moins chers.

• PETG/PA : bien qu'il soit possible d'utiliser le PVA et le BVOH comme matériau de support avec le PETG et le PA, leur compatibilité n'est pas particulièrement bonne. Dans ce cas, la meilleure option est celle des filaments solubles dans l'eau compatibles avec des matériaux à haute température tels qu'Aquasys 120.

• Flexibles : la compatibilité entre les matériaux de support et les flexibles n'a jamais été particulièrement bonne. Il est possible d'utiliser le BVOH ou des matériaux tels que l'Aquasys 120 avec certains filaments flexibles, mais il sera nécessaire de tester chaque filament flexible pour vérifier la compatibilité.

• PEEK/PEKKK/PEI/PPSU : Dans ce cas, la meilleure option est d'utiliser Aquasys 180, car c'est le matériau qui garantit la meilleure compatibilité avec ce type de matériau et qui possède la meilleure stabilité thermique à haute température.

• Si vous utilisez généralement des supports solubles avec différents matériaux, l'idéal est d'utiliser un seul support qui soit compatible avec tous les matériaux, comme Aquasys 120 ou Aquatek X1, plutôt que d'avoir un support différent pour chaque matériau.

Bien que les filaments solubles soient généralement considérés comme un seul groupe, ils sont en réalité constitués de différents matériaux, avec leurs propres caractéristiques très spécifiques. De nos jours, il est possible de trouver des filaments solubles de haute qualité compatibles avec presque tous les matériaux sur le marché, du PLA au PEEK.