L'impression 3D par dépôt de matière fondue (FDM) a révolutionné à la fois le développement de produits et la production industrielle à faible volume. Sa polyvalence réside en grande partie dans la vaste gamme de matériaux thermoplastiques disponibles, chacun avec des propriétés spécifiques qui le rendent idéal pour des usages déterminés. Choisir correctement le filament en fonction de l'objectif de la pièce, de l'environnement d'utilisation et des capacités de l'imprimante est une décision clé dans tout environnement professionnel de R&D ou de fabrication.
Ci-dessous, nous explorons les principaux types de matériaux FDM, leurs caractéristiques techniques et les exigences nécessaires pour leur impression.
La sélection du matériau ne doit pas être prise à la légère. Pour les applications industrielles ou de recherche, il est essentiel de considérer :
Les performances du matériau : résistance mécanique, flexibilité, tolérance thermique ou résistance chimique. Par exemple, un prototype exposé à l'extérieur doit supporter les rayons UV et l'humidité, tandis qu'une pièce mécanique peut nécessiter une grande ténacité ou un faible frottement.
Les capacités de l'imprimante : la température maximale de l'extrudeuse et du plateau chauffant, la présence d'une chambre fermée ou le type de hot-end sont des facteurs déterminants. Les polymères comme le polycarbonate ou le nylon exigent des températures élevées et des environnements contrôlés.
Les facteurs environnementaux et de sécurité : des matériaux comme l'ABS ou l'ASA émettent des gaz qui nécessitent une ventilation ou une filtration active. La biocompatibilité ou l'utilisation alimentaire peut également être pertinente dans les domaines de la recherche biomédicale ou alimentaire.
Le coût et la disponibilité : tandis que le PLA ou l'ABS ont un faible coût et une grande disponibilité, d'autres filaments techniques (comme le PEI ou les filaments renforcés) représentent un investissement plus important, bien qu'ils offrent des performances supérieures dans des applications exigeantes.
L'acide polylactique (PLA) est le matériau le plus répandu en impression FDM. Dérivé de l'amidon de maïs, il est facile à imprimer, ne dégage pas d'odeurs désagréables lors de l'impression et n'est pas toxique. Il fond entre 190 et 215 °C et peut être imprimé sans plateau chauffant, ce qui en fait un choix idéal pour les modèles et prototypes à faible exigence technique. Sa rigidité et sa stabilité dimensionnelle sont bonnes, mais sa fragilité et sa faible résistance thermique le limitent pour les usages fonctionnels ou extérieurs.
L'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) offre une plus grande ténacité et un meilleur comportement thermique que le PLA. C'est un plastique traditionnel dans l'industrie automobile et électronique, idéal pour les boîtiers et les pièces soumises à des chocs. Il nécessite un plateau chauffant (~100 °C) et il est fortement recommandé que l'imprimante dispose d'une chambre fermée pour éviter les déformations dues à la contraction thermique ou au "warping". Son impression génère des vapeurs de styrène, il est donc nécessaire d'avoir une ventilation. Il permet un post-traitement à l'acétone pour des finitions lisses.
L'acrylonitrile styrène acrylate (ASA) est similaire à l'ABS, mais avec des avantages clés pour les environnements extérieurs. Sa résistance aux rayons UV et à l'humidité le rend parfait pour les pièces exposées aux intempéries, comme les boîtiers de capteurs ou les composants de signalisation. Il exige des conditions d'impression similaires à l'ABS, mais avec des températures légèrement plus élevées et une ventilation. Bien qu'il soit plus cher, dans des contextes où la durabilité en extérieur est critique, ses performances le justifient.
Le PETG (téréphtalate de polyéthylène modifié au glycol) combine résistance chimique, flexibilité modérée et bonne adhérence entre les couches. Il s'imprime à des températures moyennes (220–245 °C), avec une faible déformation et sans émettre de vapeurs nocives, ce qui en fait un excellent matériau pour les pièces mécaniques, fonctionnelles ou les conteneurs.
De plus, au sein de cette famille se trouve également le CPE, une variante de copolyester avec une plus grande dureté, élasticité et résistance chimique, idéale pour les pièces industrielles nécessitant une haute résistance mécanique dans des conditions exigeantes.
Le nylon (polyamide), dans des versions comme le PA6 ou le PA12, est exceptionnellement durable, flexible et résistant aux chocs. Cependant, il est fortement hygroscopique et absorbe donc l'humidité très facilement : il doit être stocké au sec et séché avant l'impression. Il nécessite des températures élevées pour le plateau chauffant (240–270 °C) et, de préférence, une chambre fermée ou chauffée. Il est idéal pour les pièces mobiles, les engrenages ou les composants soumis à la fatigue dans les prototypes mécaniques ou robotiques.
Le polycarbonate se distingue par sa grande rigidité même à des températures élevées. C'est l'un des matériaux les plus résistants en FDM, mais aussi l'un des plus exigeants : il nécessite des hot-ends atteignant 300 °C, des plateaux chauffants à plus de 100 °C et une imprimante avec une chambre chauffée ou au moins fermée et bien isolée. Sa résistance aux chocs et à la chaleur le rend adapté aux prototypes fonctionnels dans l'automobile, l'électronique ou les structures soumises à des efforts continus.
Léger, résistant à la fatigue et chimiquement inerte, le polypropylène est utilisé dans des pièces comme les charnières intégrées ou les conteneurs chimiques. Ses défis sont l'adhérence au plateau et la déformation, ce qui nécessite souvent des surfaces d'impression spécifiques et des adhésifs. Il s'imprime à des températures moyennes (220–250 °C) et se distingue par sa recyclabilité et son faible coût, ce qui le rend utile pour les conceptions axées sur l'économie circulaire.
Le PEEK et sa variante PEKK sont des thermoplastiques avancés utilisés dans l'industrie aérospatiale, médicale et énergétique. Ils supportent des températures de service allant jusqu'à 300 °C, résistent aux agressions chimiques et offrent des propriétés mécaniques similaires au métal. Ils exigent des imprimantes spéciales avec des hot-ends à 400 °C et des chambres chauffées. Leur coût élevé se justifie dans les applications où aucun autre polymère n'offre le même niveau de performance.
Le PEI (comme l'Ultem) conserve sa forme à des températures élevées (jusqu'à 200 °C) et présente des propriétés ignifuges, ce qui en fait un polymère stratégique pour l'électronique, l'automobile ou l'aviation. Il nécessite des conditions d'impression exigeantes et une machinerie spécialisée.
Les composites à base de polymères (PLA, Nylon, PETG...) renforcés de fibres de carbone, de verre ou d'aramide augmentent significativement la rigidité, la résistance thermique et la stabilité dimensionnelle. Ils sont idéaux pour l'outillage, les pièces structurelles ou les prototypes qui ne doivent pas se déformer. Ils nécessitent des buses durcies et des réglages thermiques plus élevés.
Les filaments chargés de fibres de bois, de poudre de pierre ou de métaux produisent des finitions visuelles et des textures singulières. Bien qu'ils n'atteignent pas la résistance des autres matériaux, ils sont utilisés pour les modèles conceptuels, les prototypes tactiles ou les pièces artistiques. Par exemple, un PLA avec des fibres de bois peut être poncé et teint comme du bois naturel.
Ces matériaux contiennent de la poudre métallique ou céramique dans une matrice polymère. Après l'impression, le matériau est décomposé thermiquement et fritté, générant une véritable pièce métallique. Ils sont précieux en bijouterie, pour les prototypes métalliques ou la production en faible volume avec des propriétés proches des pièces moulées, mais nécessitent des fours de frittage spécifiques et un contrôle thermique précis.
Lorsqu'il s'agit de géométries complexes ou de fonctions spécifiques, les matériaux de support et les filaments fonctionnels augmentent considérablement les capacités de l'impression FDM. Des structures solubles qui permettent d'imprimer des cavités internes aux matériaux flexibles, conducteurs ou auto-transformables, cette catégorie de filaments apporte une valeur ajoutée aux projets de R&D et de fabrication technique.
Les filaments d'alcool polyvinylique (PVA) et de BVOH se dissolvent dans l'eau, ce qui permet d'éliminer les structures de support après l'impression sans laisser de résidus. Ils sont essentiels pour les géométries avec des porte-à-faux complexes ou des canaux internes, notamment dans les prototypes fonctionnels tels que les composants fluidodynamiques. Le PVA est fréquemment utilisé avec le PLA, tandis que le BVOH est compatible avec des matériaux comme l'ABS ou l'ASA. Étant donné qu'ils absorbent l'humidité, ils nécessitent un stockage au sec et des conditions d'impression contrôlées (~190–220 °C). Ils nécessitent des imprimantes à double extrudeur pour pouvoir imprimer simultanément le matériau de construction et le matériau de support.
Le HIPS (polystyrène à fort impact) est utilisé comme matériau de support pour l'ABS et l'ASA, se dissolvant dans le limonène, un solvant citrique. Il partage des propriétés mécaniques avec l'ABS et s'imprime à environ 230 °C. Il est idéal dans les configurations industrielles à double extrusion où l'utilisation de supports solubles dans l'eau n'est pas souhaitée.
De plus, le HIPS est également utilisé comme matériau structurel léger pour des pièces fonctionnelles, des boîtiers, des prototypes électroniques ou des modèles de consommation grâce à son excellente résistance aux chocs et sa bonne imprimabilité.
Certains filaments sont formulés pour être retirés manuellement après l'impression (breakaway), sans solvants. Il existe des versions spécifiques qui offrent une meilleure séparation entre les couches, moins de risques d'endommager la pièce et une plus grande facilité de post-traitement.
Les élastomères thermoplastiques, comme le TPU et le TPE, permettent de fabriquer des pièces élastiques, résistantes à l'abrasion et dotées d'une grande capacité d'absorption des chocs. Ils s'impriment entre 210 et 240 °C, à basse vitesse, et fonctionnent généralement mieux avec des extrudeuses directes (sans Bowden) pour éviter les bourrages. Ils sont essentiels dans la création de prototypes fonctionnels qui simulent des pièces en caoutchouc : joints, housses, semelles, composants robotiques souples, entre autres.
Ces filaments conducteurs incorporent des additifs comme le carbone, le graphène ou des poudres métalliques pour imprimer des pistes électriques ou des surfaces conductrices directement sur les pièces. Bien qu'ils ne supportent pas de grands courants (ils sont résistifs), ils permettent d'intégrer des fonctions électroniques de base dans les prototypes sans avoir besoin de câblage. Certaines versions présentent des propriétés piézoélectriques ou magnétiques, élargissant leur application dans les capteurs, les blindages EMI ou le développement de dispositifs intelligents.
Développés pour la fonderie, ces filaments brûlent sans laisser de résidus, générant des moules prêts à couler. Ils sont largement utilisés en bijouterie, en dentisterie ou pour les prototypes métalliques personnalisés. Ils imitent la cire technique et permettent d'imprimer des détails fins pour ensuite se transformer en véritables pièces métalliques.
Conçus pour se dilater ou former des structures internes poreuses pendant l'impression, les filaments FOAM réduisent le poids des pièces et améliorent l'isolation thermique. Bien que plus spécialisés, ils sont utilisés dans les prototypes d'emballage, les flotteurs ou les éléments d'amortissement légers. Ils nécessitent des ajustements de débit et des conditions d'impression précises.
Ils ne sont pas destinés à la fabrication de pièces, mais à l'entretien préventif. Ces filaments de nettoyage capturent les résidus internes de l'extrudeuse et éliminent les restes de pigment ou de polymère après l'impression de matériaux à haute température. Ils sont indispensables dans les environnements de laboratoire ou de production, où différents matériaux sont fréquemment alternés.
L'industrie évolue vers des solutions plus respectueuses de l'environnement. Les filaments à base de PHA, les mélanges de biomasse ou les matériaux recyclés en PET et ABS offrent une alternative au plastique vierge. Ils conservent des propriétés similaires à leurs équivalents standard et sont particulièrement intéressants pour les projets qui privilégient la traçabilité écologique et un impact environnemental réduit.
Certaines formulations spéciales de PLA permettent d'imprimer à des vitesses significativement plus élevées sans compromettre la qualité. Ces matériaux sont utiles lorsque le temps de production est un facteur critique, comme dans les prototypes itératifs ou les petites séries. Ils maintiennent une bonne adhérence entre les couches et réduisent la formation de fils ou de suintement.
Les polymères qui réagissent aux stimuli externes (chaleur, humidité, lumière) ouvrent le champ de l'impression « 4D », où les objets peuvent changer de forme après avoir été imprimés. Bien qu'encore en phase expérimentale, ils sont déjà appliqués dans des structures auto-assemblables, des dispositifs médicaux ou des textiles intelligents.
Ces filaments contiennent des additifs tels que le PTFE pour réduire le frottement superficiel, ce qui les rend idéaux pour les pièces mobiles (roulements, engrenages). Leur surface lisse réduit l'usure et évite le besoin de lubrification supplémentaire. Ils peuvent être imprimés dans des conditions similaires au PLA, ce qui facilite leur adoption.
Sélectionner le bon matériau est aussi important que maîtriser son impression. Voici quelques recommandations clés :
Expérimentation contrôlée : tester différents matériaux en laboratoire permet d'identifier le meilleur équilibre entre facilité d'impression et performances techniques.
Consultation des fiches techniques : connaître des données telles que la résistance à la traction, le HDT (température de déformation sous charge), ou l'indice de fluidité permet de prévoir le comportement du matériau dans des conditions réelles.
Vérification des certifications : dans les projets industriels, il peut être nécessaire de s'assurer que le filament est de qualité alimentaire, ignifuge ou biocompatible.
Post-traitement planifié : certains matériaux permettent un lissage chimique (ABS), d'autres réagissent bien au collage ou à la peinture (PLA). La facilité de post-traitement peut influencer le choix.
Conditions de stockage : les filaments comme le Nylon, le PVA ou le BVOH doivent être maintenus au sec. L'utilisation de déshumidificateurs ou de boîtes scellées évite les impressions ratées dues à l'absorption d'humidité.
Classer les filaments en catégories —basiques, d'ingénierie, haute performance, composites, fonctionnels et émergents— permet de prendre des décisions plus systématiques et axées sur la performance.
L'écosystème actuel des matériaux pour l'impression FDM couvre un éventail sans précédent de propriétés mécaniques, thermiques, chimiques et esthétiques. Des prototypes conceptuels en PLA aux composants aérospatiaux imprimés en PEEK, chaque projet peut trouver un matériau qui répond à ses exigences.
La clé est de comprendre les propriétés intrinsèques de chaque polymère, de connaître les exigences d'impression et d'anticiper le comportement fonctionnel de la pièce finale. Avec une stratégie de sélection éclairée et une gestion appropriée des matériaux, l'impression FDM devient un outil puissant pour la conception, la validation et la production avancée.
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