Imprimer l’électricité : tout ce qu’il faut savoir sur les filaments conducteurs pour l’impression 3D

Lorsqu’on découvre le monde des filaments conducteurs, la première chose que l’on constate est que l’étiquette « conducteur » cache des réalités très différentes. Certains matériaux dissipent à peine l’électricité statique tandis que d’autres chauffent, conduisent le courant et servent de pistes de circuit. La différence entre les uns et les autres n’est pas une simple nuance : elle se mesure en ordres de grandeur. Comprendre cette différence est essentiel pour éviter les mauvaises surprises.

Dans cet article, nous allons reprendre depuis le début ce qu’est la conductivité électrique, comment elle est obtenue dans un plastique, quel type d’applications nécessite chaque niveau de conductivité et, enfin, nous analyserons cinq filaments très différents les uns des autres : le Multi3D Electrifi, le 3DXSTAT ESD PLA de 3DXTech, le Filaflex Conductivo de Recreus, le Fili d’AIMPLAS et le PLA Conductivo de Spectrum.

Qu’est-ce que la conductivité exactement ?

La conductivité électrique (représentée par la lettre grecque σ, sigma) mesure la capacité d’un matériau à laisser passer le courant électrique. Son unité est le Siemens par mètre (S/m). Plus la valeur est élevée, plus l’électricité circule facilement.

Pour se faire une idée de l’échelle :

Comme on peut le voir, entre le cuivre pur et un PLA conducteur d’entrée de gamme, il existe une différence de près de dix millions de fois. Et entre les filaments conducteurs eux-mêmes, les différences peuvent atteindre plusieurs milliers de fois. Ce n’est pas un détail anodin.

Comment rendre un plastique conducteur ?

Le PLA, le PETG ou le TPU sont, à l’état pur, des isolants électriques parfaits. Pour qu’ils conduisent l’électricité, il faut disperser à l’intérieur des particules conductrices. L’idée est que ces particules se touchent entre elles afin de former un réseau de chemins par lesquels le courant peut circuler.

Cela porte un nom : la percolation électrique. Et cela possède une caractéristique fascinante : le phénomène ne se produit pas progressivement. Jusqu’à un certain pourcentage de charge, le matériau ne conduit presque rien. Dès que ce seuil est franchi (le seuil de percolation électrique) et que les particules commencent à se toucher, la conductivité peut être multipliée par mille d’un coup. Ensuite, ajouter davantage de charge continue d’améliorer la conduction, mais avec des rendements décroissants.

Le type de charge utilisé détermine jusqu’où l’on peut aller :

• Noir de carbone. Le plus économique et le plus répandu. Il s’agit de particules sphériques de carbone obtenues par combustion d’hydrocarbures. Il offre des conductivités modérées et est responsable de la couleur noire de la plupart des filaments conducteurs économiques. Le seuil de percolation nécessite une quantité importante de charge (environ 15-20 % en poids).
• Nanotubes de carbone (CNT). Des cylindres de graphène à l’échelle nanométrique dont la longueur est bien supérieure au diamètre. Grâce à cette géométrie allongée, ils « se touchent » avec une concentration plus faible de charge (1-5 % en poids suffisent), et peuvent atteindre des conductivités légèrement supérieures au noir de carbone. Ils sont plus coûteux et plus difficiles à disperser de manière homogène.
• Graphène. Feuilles d’un seul atome de carbone organisées en réseau hexagonal. Conductivité intrinsèque très élevée et seuil de percolation très faible. Le problème est que le graphène « pur » est difficile à traiter, et les filaments du marché utilisent généralement de l’oxyde de graphène réduit (rGO), dont la conductivité réelle reste plus modeste.
• Particules métalliques (cuivre, argent, nickel). C’est ici qu’a lieu le véritable saut qualitatif. Dès qu’il y a du métal dans le réseau, la conductivité peut être cent ou mille fois supérieure à celle de n’importe quelle charge carbone. C’est la technologie du Electrifi de Multi3D, le seul filament du marché FFF utilisant du cuivre. En contrepartie, il est plus abrasif et nécessite des buses en acier trempé.