L'importance de l'isotropie dans l'impression 3D

L'isotropie dans les matériaux est une qualité qui définit l'uniformité de ses propriétés quelle que soit la direction dans laquelle elles sont mesurées.

En général, la plupart des thermoplastiques sont considérés comme des matériaux isotropes. De par leur nature et la cohésion entre les chaînes polymères qui les composent est uniforme dans toutes les directions, leurs propriétés mécaniques sont également uniformes.

Le fait qu'un matériau soit isotrope n'implique pas que toutes les pièces réalisées avec ce matériau conservent cette qualité. À de nombreuses reprises, le procédé de formation ou de fabrication peut rendre une pièce anisotrope ou orthotrope, malgré le fait que sa matière première soit isotrope.

Par exemple, une pièce en thermoplastique renforcé de fibres. Dans la matrice plastique, les fibres sont orientées de manière aléatoire et uniforme, maintenant ainsi l'isotropie du matériau. Cependant, si une partie de ce matériau est fabriquée en utilisant des méthodes d'étirage mécanique, les fibres peuvent être réorientées à l'intérieur de la matrice dans une direction préférée et amener le matériau à devenir anisotrope. Parfois, pendant le processus d'injection thermoplastique ou lors du durcissement des résines, des contraintes internes sont générées, ce qui peut amener le matériau à réduire son degré d'isotropie.

Parfois, cette anisotropie est une décision d'ingénierie qui prend en compte les charges supportées par la pièce et cherche à améliorer ses performances ou à optimiser le rapport poids / résistance. C'est le cas, par exemple, des composites renforcés de fibres, dans lesquels des mailles de fibres orientées sont souvent utilisées pour améliorer les propriétés dans une certaine direction.

Image 1: Matériau isotrope et anisotrope. Source: Instron

Mais que se passe-t-il lorsque cette anisotropie est une conséquence involontaire, produit du procédé de formage ou de fabrication? Dans ce cas, si les charges qui vont agir sur la pièce ne sont pas uniformes et que l'on sait bien comment l'isotropie de la pièce varie après sa fabrication, on peut adapter son orientation lors du processus de formage pour que la direction préférée coïncide avec la direction de la charge. Cela complique considérablement les tâches de conception et de fabrication, mais peut être un obstacle récupérable.

Cependant, lorsque l'on ne sait pas a priori dans quelle direction les charges vont agir sur une pièce, le fait que ses propriétés ne soient pas uniformes dans toutes les directions peut poser un problème majeur. Tout d'abord, les propriétés dans toutes les directions doivent être testées et les valeurs les plus faibles telles que la résistance de la pièce doivent être prises en compte. Deuxièmement, il est beaucoup plus difficile de déterminer quand cette pièce échouera, car la durée de vie utile lorsque les charges agissent dans sa direction la plus favorable peut être beaucoup plus longue que lorsqu'elles agissent dans la direction la moins favorable.

C'est pourquoi, lorsqu'il s'agit de pièces devant remplir une fonction mécanique ou structurelle, le contrôle de l'isotropie est d'une grande importance.

Isotropie en impression 3D

L'impression 3D FDM est l'une des méthodes de fabrication dans lesquelles l'isotropie est clairement affectée. Ce procédé de fabrication est basé sur la formation de la pièce couche par couche par extrusion d'un fil polymère fondu.

C'est précisément pour cette raison qu'au niveau de sa microstructure, les pièces imprimées en FDM sont des structures microporeuses. Cela implique que la section réelle de la pièce varie dans chaque direction par rapport à la section apparente que nous pouvons mesurer au niveau macroscopique. De plus, un autre facteur entre en jeu: la cohésion entre les couches, qui ne se produit pas toujours de manière idéale et reproductible.

Image 2: Microstructure d'une impression FDM 3D. Source: Formlabs.

En raison de ce décalage entre les sections de pièce réelles et les sections apparentes, le module apparent lors du test de la pièce sur les trois axes variera également.

Par exemple, si nous testons un cube de 1 cm³, nous verrons que le module élastique est différent sur les trois axes. En effet, lors du calcul de E = (F⁄S) / (∆L⁄L) où S est la section de la pièce, nous prenons comme section 1 cm² pour les trois axes, lorsque la section réelle varie d'un axe à un autre comme le montre l'image 3.

Image 3: Sections d'une pièce imprimée avec rembourrage 100% et toutes les couches orientées dans la même direction.

Nous pourrions minimiser cet effet en variant la direction d'impression sur chaque couche. En orientant les couches à 90º comme le montre la figure 4, nous avons pu obtenir des pièces orthotropes sur les axes X et Y, bien que l'anisotropie resterait sur l'axe Z.

Image 4: Sections d'une pièce imprimée avec un remplissage à 100% et chaque couche orientée à 90º par rapport à la précédente.

En théorie, si nous varions chaque couche d'un petit angle, en gros morceaux constitués d'un grand nombre de couches qui se chevauchent, nous pourrions obtenir une isotropie plane dans le plan XY, mais nous n'atteindrions toujours pas une isotropie complète.

Nous pourrions essayer d'obtenir les sections réelles des pièces et ainsi prédire leurs propriétés théoriques dans chaque direction, mais en pratique les imprimantes FDM ne sont pas suffisamment précises pour obtenir des structures homogènes et reproductibles, comme le montre l'image 5 .

Image 5: Sections de pièces imprimées avec des couches de 0,1, 0,2 et 0,3 mm. Source: S. Garzon-Hernandez et al. Materials and Design 188 (2020) 108414

Pour tout cela, il est très difficile de prédire le comportement mécanique d'une pièce imprimée en FDM.

Cependant, ce phénomène n'est pas universel en impression 3D. D'autres technologies telles que l'impression 3D SLA et l'impression 3D SLS produisent des pièces à haute isotropie.

Dans l'impression SLA, les pièces sont formées par photopolymérisation d'une couche de résine couche par couche. Cela implique que les pièces sont complètement denses et donc leur section apparente et réelle sont les mêmes. De plus, la cohésion entre les molécules est formée par des liaisons chimiques et de façon homogène dans toute la pièce.

Image 6: Module d'Young d'une pièce imprimée par SLA, mesuré sous différents angles. Source: Formlabs

Malgré le fait que traditionnellement les résines SLA n'étaient pas considérées pour des applications techniques en raison de leurs mauvaises propriétés mécaniques, ces dernières années, il y a eu un bond significatif dans le développement de résines aux propriétés mécaniques et thermiques compatibles avec les exigences les plus exigeantes. C'est le cas des résines d'ingénierie Formlabs qui, avec l'imprimante Form 3L, capable de produire des pièces jusqu'à 335x200x300 mm, forment le tandem parfait pour de nombreuses applications qui nécessitent des pièces isotropes avec des propriétés mécaniques élevées.

Image 7: Impresora Form 3L. Source: Formlabs

Cependant, malgré la percée dans le développement de matériaux techniques pour les SLA, la technologie qui garantit les meilleurs résultats pour les applications techniques est l'impression 3D SLS.

Cette technologie est basée sur le frittage couche par couche de microparticules polymériques. Le résultat est des pièces aux caractéristiques idéales pour les applications d'ingénierie: elles ont une haute isotropie, une précision dimensionnelle élevée et peuvent être imprimées sans supports, permettant des géométries très complexes et même l'impression de mécanismes mobiles déjà assemblés.

Les pièces produites par l'impression SLS sont poreuses, cependant, contrairement à celles produites par FDM, leur porosité est homogène et ne dépend pas de l'orientation de la pièce lors de l'impression, comme le montre la image 8.

Image 8: Microstructure interne d'une pièce imprimée en SLS.

Cela leur donne une isotropie élevée, car, bien que leurs sections réelles et leurs sections apparentes ne soient pas les mêmes, elles restent constantes dans toutes les directions.

C'est pourquoi, bien que les propriétés mécaniques des pièces imprimées par SLS soient différentes de celles du matériau de départ, elles sont constantes, indépendantes de l'orientation de la pièce et peuvent être facilement déterminées, ce qui simplifie les calculs d'ingénierie et permet de déterminer avec faibles marges d'erreur la résistance et la durée de vie des composants fabriqués en utilisant cette technologie.

De plus, l'impression SLS permet l'utilisation de polymères techniques largement utilisés dans le secteur industriel, tels que le nylon 11, le nylon 12 ou même des élastomères thermoplastiques tels que le TPE et le TPU.

C'est le cas des imprimantes 3D comme Lisa Pro, une imprimante d'un excellent rapport qualité / prix, capable de produire des pièces de très haute qualité dans des matériaux comme le polyamide 11, grâce à sa capacité à imprimer sous atmosphère d'azote.

Video 1: Video Lisa Pro. Source: Sinterit

Lorsqu'il s'agit de produire des pièces par impression 3D qui doivent répondre à certaines exigences mécaniques, il ne faut pas seulement considérer les propriétés du matériau de départ mais aussi la technologie par laquelle il sera fabriqué. Bien que la technologie FDM soit probablement la plus polyvalente lorsqu'il s'agit de choisir des matériaux techniques, le fait que les pièces imprimées aient une très faible isotropie peut être un gros problème difficile à surmonter dans de nombreux cas. L'orientation des pièces lors de l'impression, la sélection des motifs de remplissage et une bonne compréhension de l'endroit et des conditions dans lesquelles la pièce fonctionnera sont des facteurs essentiels dans la production de composants techniques utilisant l'impression 3D FDM. Cela signifie que la conception et la production de pièces utilisant cette technologie est peut-être la plus complexe tout en présentant des limites importantes.

Beaucoup de ces limitations disparaissent avec l'impression SLA et SLS. La possibilité d'obtenir des pièces à porosité dense ou homogène, avec une isotropie élevée et la disponibilité de matériaux techniques avec de bonnes propriétés mécaniques, en font une alternative prometteuse pour les applications où l'impression 3D FDM n'est pas adaptée.

De plus, la possibilité d'imprimer des pièces sans avoir besoin de supports préassemblés et de mécanismes mobiles, fait de l'impression SLS la technologie idéale en réduisant et en simplifiant le post-traitement des pièces.