Repenser le Matériel pour Espresso : Une Meilleure Plaque de Dispersion Imprimée en 3D

Dans la fabrication de machines à café expresso professionnelles, l’un des plus grands défis consiste à trouver des matériaux capables de résister à une utilisation intensive, à une chaleur constante et au contact avec de l’eau chaude et de la vapeur sans se dégrader. Pendant des années, les fabricants ont eu recours à des composants usinés en métal tels que le laiton ou l’acier inoxydable ; cependant, l’utilisation de métaux présente des problèmes d’entartrage, en particulier avec une eau dure, ainsi qu’une corrosion à long terme, ce qui affecte négativement la qualité et le goût du café, en plus d’augmenter la maintenance et l’usure de la machine.

Image 1 : Machine à expresso professionnelle. Source : electroluxprofessional.com.

En alternative, l’utilisation de plastiques a été explorée afin de réduire le problème d’entartrage et de corrosion ; cependant, la nécessité de résister à des pressions et des températures élevées pendant des cycles prolongés limite fortement le catalogue de plastiques compatibles, se réduisant à quelques plastiques techniques tels que le PEEK ou le PPSU.

L’un des composants les plus critiques est la plaque de dispersion des cafetières. Ce composant est chargé de distribuer l’eau chaude uniformément sur le café moulu, ce qui implique des cycles continus de travail à haute pression et température, faisant de lui l’un des éléments les plus sujets à l’usure. De plus, étant en contact direct avec l’eau et le café, l’utilisation d’un matériau inadéquat, ou l’accumulation de tartre ou d’oxydes, peut affecter négativement la qualité, le goût et l’arôme du café.

L’importance du matériau

Traditionnellement, les matériaux les plus utilisés pour la fabrication des plaques de dispersion ont été les métaux, principalement le laiton, l’acier inoxydable et l’aluminium anodisé.

Parmi ceux-ci, le matériau le mieux adapté est l’acier inoxydable 316L ou 304, car il résiste à la corrosion, est facile à nettoyer et n’altère pas le goût ni l’arôme du café. Toutefois, son coût élevé le réserve aux équipements haut de gamme.

Un autre matériau courant est le laiton, car son coût d’usinage est plus faible que celui de l’acier et il résiste bien à la chaleur. Cependant, il est sujet à la corrosion et à l’entartrage, et peut libérer des particules d’oxyde métallique qui altèrent le goût et la qualité du café.

Actuellement, de nombreux fabricants de milieu et bas de gamme ont opté pour l’aluminium anodisé dans la fabrication des plaques de dispersion, en raison de son faible coût et de sa bonne résistance. Cependant, comme le laiton, il peut libérer des particules métalliques qui affectent le goût et la qualité du café.

Image 2 : Plaques de dispersion en laiton et acier inoxydable. Source : shadesofcoffee.co.uk.

Dans la recherche d’alternatives économiques, résistantes et n’altérant pas le goût ni la qualité du café, certains fabricants ont exploré l’utilisation de plastiques techniques comme alternative aux métaux dans la production des plaques de dispersion. Le principal problème rencontré dans cette approche est que les plastiques injectés alimentaires les moins chers, tels que les copolyesters, le polycarbonate ou le PVDF, supportent très peu de cycles de travail avant de se déformer à cause de la température et de la pression, tandis que les plastiques techniques usinés, comme le PEEK ou le PPSU, dépassent souvent le coût de l’acier usiné.

PEN-HF et impression 3D : une solution simple, économique et efficace

Face aux approches traditionnelles, un fabricant renommé de machines à expresso a exploré une alternative innovante dans la fabrication de plaques de dispersion plastiques, dans le but d’obtenir un produit résistant, durable et n’altérant pas le goût ni la qualité du café, tout en maintenant un coût de fabrication bas afin de le rendre accessible à tout type de machine.

Pour cela, il a sous-traité à un service bureau la production de plaques de dispersion par impression 3D FFF en utilisant le PEN-HF, un matériau développé par le fabricant FLXR Engineering.

Image 3 : Plaque de dispersion imprimée en 3D avec PEN-HF. Source : FLXR Engineering.

Le naphtalate de polyéthylène (PEN) est un polyester similaire au PET dans sa composition, mais avec des propriétés physiques, mécaniques et thermiques qui le rapprochent d’autres matériaux plus techniques comme les polyamides, le PPSU ou même le PEEK. Le PEN peut supporter des températures de travail proches de 170 ºC, présente une résistance à la traction et une rigidité supérieures aux autres polyesters, atteignant des modules élastiques supérieurs à 2 GPa, offre une meilleure barrière à la perméation des gaz et de la vapeur d’eau et conserve une excellente résistance chimique et une compatibilité alimentaire.

Mettre le matériau à l’épreuve

Pour évaluer les nouvelles plaques de dispersion fabriquées en PEN, un essai a été réalisé en conditions réelles, consistant en une série de 120 extractions de 30 s avec de l’eau à une température comprise entre 91 ºC et 96 ºC et une pression de 9 bars. La même étude a également été menée avec des plaques de dispersion imprimées en 3D en PETG, PCTG, PC, PEEK et PVDF, ainsi qu’avec des plaques usinées en PPSU.

Seuls trois matériaux ont résisté aux 120 cycles sans déformation : le PPSU, le PEEK et le PEN-HF. D’autres polyesters comme le PETG ou le PCTG n’ont supporté que 1 et 5 cycles respectivement, tandis que le PC a à peine résisté à 5 cycles.

Image 4 : Nombre de cycles réussis avant déformation. Source : FLXR Engineering.

De plus, les pièces imprimées en PEN-HF n’étaient pas seulement une alternative fonctionnelle aux plaques de dispersion en PEEK ou PPSU, mais elles étaient également plus compétitives en termes de coût, réduisant le prix entre 33 % et 45 % par rapport au PPSU.

Tableau 1 : Comparaison des coûts de fabrication. Source : Filament2Print.com.

Des avantages au-delà du coût

Le nouveau procédé de fabrication par impression 3D en PEN-HF permet non seulement d’obtenir des plaques de dispersion durables, économiques, inertes et résistantes à la corrosion, mais implique également une empreinte carbone réduite, une chaîne d’approvisionnement plus flexible et une plus grande capacité d’optimisation et de personnalisation.

Le PEN-HF s’impose comme une alternative économique, efficace et plus facile à imprimer que d’autres matériaux techniques plus courants mais plus coûteux et complexes à traiter. Il ne nécessite pas l’utilisation d’imprimantes 3D industrielles ou haute température, est conforme aux normes européennes et FDA pour les applications de contact alimentaire et offre une résistance mécanique, thermique et chimique supérieure à tout autre matériau de sa gamme de prix.