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 détériorer. Pendant des années, les fabricants ont eu recours à des composants usinés en métal tels que le laiton ou l’acier inoxydable. Toutefois, l’utilisation de métaux pose des problèmes comme l’accumulation de calcaire, en particulier en cas d’eau dure, ainsi que la corrosion à long terme, ce qui affecte la qualité et le goût du café, tout en augmentant la maintenance et l’usure de la machine.

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

En alternative, l’utilisation de plastiques a été explorée pour réduire les problèmes d’accumulation de calcaire et de corrosion. Cependant, la nécessité de supporter des pressions et températures élevées pendant de longs cycles de fonctionnement limite considérablement les plastiques compatibles, réduits à certains plastiques techniques comme le PEEK ou le PPSU.

Parmi les composants les plus critiques figure la plaque de diffusion des machines à café. Ce composant est chargé de répartir uniformément l’eau chaude sur le café moulu, ce qui implique des cycles continus à haute pression et température. Il s’agit donc d’un des éléments les plus sujets à l’usure. De plus, cet élément est en contact direct avec l’eau et le café, de sorte que l’usage d’un matériau inadapté ou l’accumulation de calcaire ou d’oxydes peut nuire à la qualité, au goût et à l’arôme du café.

L’importance du matériau

Traditionnellement, les matériaux les plus utilisés dans la fabrication de plaques de diffusion sont les métaux, principalement le laiton, l’acier inoxydable et l’aluminium anodisé.

Parmi eux, le matériau le plus adapté est l’acier inoxydable 316L ou 304, car il résiste à la corrosion, est facile à nettoyer et n’altère ni le goût ni l’arôme du café. Cependant, son coût élevé le réserve à des équipements haut de gamme.

Un autre matériau courant est le laiton, grâce à son faible coût d’usinage comparé à l’acier et sa bonne résistance à la chaleur. Cependant, il est sujet à la corrosion et à l’accumulation de calcaire, pouvant libérer des particules d’oxyde métallique qui altèrent le goût et la qualité du café.

Actuellement, de nombreux fabricants de moyenne et basse gamme ont choisi l’aluminium anodisé pour fabriquer les plaques de diffusion, en raison de son faible coût et de sa bonne résistance. Toutefois, comme le laiton, il peut libérer des particules métalliques qui affectent le goût et la qualité du café.

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

Dans la recherche d’alternatives économiques, durables et qui n’altèrent ni 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 diffusion. Le principal problème de cette approche est que les plastiques injectés économiques adaptés au contact alimentaire, tels que les copolyesters, le polycarbonate ou le PVDF, supportent peu de cycles avant de se déformer sous l’effet 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

En contraste avec les approches traditionnelles, un fabricant reconnu de machines expresso a exploré une alternative innovante dans la fabrication de plaques de diffusion en plastique, avec pour objectif de proposer un produit résistant, durable et neutre pour le goût du café, tout en conservant un faible coût de production pour le rendre accessible à toutes les gammes de machines.

Pour ce faire, la production des plaques de diffusion a été sous-traitée via impression 3D FFF à base de PEN-HF, un matériau développé par le fabricant FLXR Engineering.

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

Le naphtalate de polyéthylène (PEN) est un polyester similaire au PET, mais dont les propriétés physiques, mécaniques et thermiques se rapprochent de celles des matériaux techniques comme les polyamides, le PPSU ou même le PEEK. Le PEN peut supporter des températures de travail proches de 170 ºC, offre une résistance à la traction et une rigidité supérieures aux autres polyesters avec un module élastique supérieur à 2 GPa, possède une meilleure barrière à la perméation des gaz et de la vapeur d’eau, et conserve une excellente résistance chimique ainsi qu’une compatibilité alimentaire.

Mettre le matériau à l’épreuve

Pour évaluer les nouvelles plaques de diffusion en PEN, un test en conditions réelles a été mené avec une série de 120 extractions de 30s à des températures entre 91 ºC et 96 ºC et une pression de 9 bars. Le même test a été réalisé avec des plaques de diffusion imprimées en 3D avec PETg, PCTG, PC, PEEK et PVDF, ainsi qu’avec des plaques usinées en PPSU.

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

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

De plus, les pièces imprimées en PEN-HF ne représentaient pas seulement une alternative fonctionnelle aux plaques de diffusion en PEEK ou PPSU, mais aussi une solution plus économique, réduisant le coût de 33 % à 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 avec PEN-HF permet non seulement d’obtenir des plaques de diffusion durables, économiques, inertes et résistantes à la corrosion, mais aussi de réduire l’empreinte carbone, de bénéficier d’une chaîne d’approvisionnement plus flexible et d’une capacité accrue d’optimisation et de personnalisation.

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