Impression 3D avec des matériaux composites. Ce qu'il faut garder à l'esprit

Il devient de plus en plus courant de trouver des filaments composés de matériaux composites. Ces matériaux sont formés par une matrice plastique et une charge de particules ou de fibres. Le but de cette charge peut varier considérablement, de l'amélioration des propriétés mécaniques finales du matériau à l'amélioration de son apparence esthétique ou à l'ajout d'une nouvelle propriété telle que la conductivité. Ainsi, nous pouvons trouver trois types de matériaux composites :

Matériaux renforcés par des fibres

Il s'agit de matériaux dont le but est d'améliorer les propriétés mécaniques globales de la matrice. La matrice plastique peut être n'importe quel matériau d'impression 3D tandis que les renforts les plus couramment utilisés sont la fibre de verre, la fibre de carbone et la fibre d'aramide.

• Fibre de verre : Fournit une plus grande résistance aux contraintes de traction. Il a une bonne flexibilité et améliore la résistance à la flexion. Il confère une température de travail plus élevée au matériau final.
• Fibre de carbone : Comme la fibre de verre, elle augmente la résistance à la traction et à la flexion, mais elle offre également une plus grande rigidité.
• Fibre d'aramide : Principalement connue pour sa grande résistance aux chocs et à la fatigue.

Les filaments renforcés par des fibres sont considérés comme des matériaux techniques et sont principalement destinés à la production de composants fonctionnels haute performance. En général, on trouve des matériaux avec des charges entre 10% et 20%.

Image 1 : Pièce imprimée avec du nylon renforcé de fibres de carbone. Source : Fillamentum

Les matériaux renforcés par des fibres les plus courants sont ceux basés sur le nylon, bien qu'il soit de plus en plus courant de trouver d'autres types de matrices comme l'ABS, le PLA, le PC, ou surtout le PETG.

Matériaux avec des charges esthétiquement fonctionnelles

Il s'agit de matériaux chargés avec divers types de particules et de fibres, dont la fonction principale est d'altérer la finition esthétique du matériau de base. On peut principalement trouver 4 types de charges :

• Fibres ou particules de bois : Ce sont des matériaux avec une forte charge de particules ou de fibres végétales dont la fonction est de fournir une finition similaire au bois.

• Particules minérales ou céramiques : Généralement des particules de plâtre avec différents colorants. Elles sont utilisées pour obtenir des finitions similaires à la céramique, à la pierre ou à l'argile.

• Fibres végétales : Principalement utilisées avec le PLA. Leur fonction est de fournir une finition mate.

• Particules phosphorescentes : Le matériau le plus couramment utilisé est la poudre d'aluminate de strontium, qui produit une lueur verte caractéristique. Elle est utilisée dans les filaments "Glow" ou phosphorescents.

Image 2 : Voiture-jouet produite avec du PLA chargé de fibres de bois. Source : Fillamentum

En général, ce type de charge est combiné avec une matrice de PLA pour maximiser la compatibilité avec tous les types d'imprimantes, car on ne cherche pas un bon comportement mécanique, mais plutôt une finition esthétique spécifique.

Matériaux avec des charges qui fournissent de nouvelles propriétés

Parfois, la fonction des charges n'est pas d'améliorer les propriétés de la matrice elle-même, mais de fournir une nouvelle propriété physique. Les plus courantes sont la conductivité grâce à l'utilisation de graphène et le magnétisme grâce à des particules de ferrite, bien qu'il soit possible de trouver d'autres propriétés plus exotiques telles que le blindage électromagnétique fourni par le carbure de bore.

Vidéo 1 : Pièce fabriquée avec un filament ferromagnétique. Source : Protopasta

Il s'agit de matériaux moins courants développés pour des applications spécifiques.

Matériaux avec des charges métalliques et céramiques pour le frittage.

Il s'agit de filaments avec une forte charge de poudre métallique ou céramique, destinés à l'impression de pièces qui seront ensuite traitées par des traitements de déliantage et de frittage. En général, la matrice est composée de matériaux à basse température à base de PLA ou de cires pour faciliter les tâches de déliantage, qui peuvent être thermiques, chimiques ou une combinaison des deux.

Comment imprimer des filaments chargés

Sélection du diamètre de la buse

Certains filaments chargés nécessitent l'utilisation de buses avec un diamètre supérieur à 0,4. En général, les fabricants de filaments chargés incluent dans la fiche technique la taille minimale recommandée de la buse ; cependant, si ce n'est pas spécifié, les indications suivantes doivent être prises en compte :

• Fibre de verre: Il est conseillé d'utiliser toujours des buses d'au moins 0,6 mm, car elle contient généralement de grandes fibres.

• Fibre de carbone: Si on spécifie que le filament utilise des fibres courtes, il est probable qu'une buse de 0,4 mm puisse être utilisée sans risque de colmatage. Dans le cas où il n'est pas spécifié qu'il contient des fibres courtes, il est recommandé de commencer avec une buse de 0,6 mm et d'essayer avec une buse de 0,4 mm lorsque l'impression est satisfaisante avec la plus grande buse.

• Fibre d'aramide: Il est recommandé de commencer avec une buse de 0,6 mm et d'essayer avec une buse de 0,4 mm lorsque l'impression est satisfaisante avec la plus grande buse.

• Fibres ou particules de bois: Il est conseillé d'utiliser toujours des buses d'au moins 0,6 mm, et dans certains cas même de 0,8 mm.

• Particules minérales ou céramiques: Sauf dans les cas où la charge est très élevée, il est généralement possible d'imprimer ce type de filament avec des buses de 0,4 mm.

• Fibres végétales: Il est recommandé de commencer avec une buse de 0,6 mm et d'essayer avec une buse de 0,4 mm lorsque l'impression est satisfaisante avec la plus grande buse.

• Particules phosphorescentes: En général, elles peuvent être imprimées avec des buses de 0,4 mm.

• Particules avec des charges métalliques ou céramiques: Il y a généralement beaucoup de variabilité d'un matériau à l'autre et même parmi le même matériau de différents fournisseurs. Si le fabricant ne spécifie pas de taille minimale, il est conseillé de commencer toujours avec une buse de 0,6 mm et d'essayer avec une buse de 0,4 mm lorsque l'impression est satisfaisante avec la plus grande buse. Dans certains matériaux spécifiques, il peut être nécessaire d'utiliser des buses de 0,8 mm.

Image 3 : Buses de différents diamètres. Source : E3D

Utilisation de buses trempées et usure des composants.

Il convient de noter que tous les filaments chargés provoquent une plus grande usure des composants de l'extrudeuse chauffante et de l'extrudeuse, en particulier de la buse, du brise-chaleur, des roues d'extrudeuse et des tubes ou inserts PTFE.

Certains filaments sont particulièrement abrasifs, comme les filaments de fibre de carbone, d'aramide et de fibre de verre ou les particules métalliques, céramiques et phosphorescentes. Lors de l'utilisation de ces filaments, il est conseillé d'utiliser des buses trempées.

Image 4 : Comparaison de l'usure des buses pour différents matériaux. Source : 3DVerkstan

Si ces filaments abrasifs sont utilisés régulièrement, il est conseillé d'utiliser, en plus des buses trempées, des brise-chaleur en matériaux plus résistants comme le titane et des extrudeuses avec des roues en acier trempé. De plus, ces composants doivent être vérifiés périodiquement, ainsi que les tubes et inserts PTFE, et remplacés en cas de signes d'usure.

Vitesse d'impression et température

Les filaments chargés ont une viscosité plus élevée que leurs homologues non chargés, il est donc conseillé d'utiliser des vitesses d'impression maximales plus faibles. Il peut également être nécessaire d'utiliser des températures d'impression légèrement plus élevées pour réduire la viscosité lorsque des vitesses d'impression élevées sont utilisées.

Adhérence à la base et déformation

Les filaments chargés subissent généralement moins de retrait lors du refroidissement, ce qui les rend moins sujets à la déformation. Plus la proportion de fibres ou de particules est élevée, moins il y a de rétrécissement.

D'autre part, les charges affectent également généralement l'adhérence du matériau au lit d'impression, la réduisant légèrement. Il est conseillé d'utiliser des solutions d'adhérence telles que des adhésifs ou des laques lors de l'utilisation de ce type de filament, en particulier ceux avec un pourcentage de charge élevé.

Fragilité du filament

Une caractéristique générale des filaments chargés de particules est leur plus grande fragilité, surtout ceux avec des pourcentages de charge élevés ou à base de PLA. C'est pourquoi il est très important de positionner correctement la bobine pour que le chemin jusqu'à l'extrudeuse soit aussi droit et court que possible. De plus, l'utilisation d'extrudeuses directes est conseillée, bien que certains de ces filaments puissent également être imprimés sur des imprimantes bowden. Dans ce dernier cas, il est conseillé de positionner les tubes PTFE de manière à ce qu'ils aient le plus grand rayon de courbure possible, ainsi que de positionner les pièces à l'avant du lit d'impression.

Image 5 : Support de bobine placé directement sur l'extrudeuse pour alimenter le filament directement. Source : Raise3D

Les filaments chargés sont une catégorie spéciale qui comprend des matériaux très divers, et nécessitent généralement des configurations d'impression spéciales. C'est pourquoi il est recommandé de toujours consulter toutes les informations fournies par le fabricant et de suivre leurs recommandations d'impression.

Ce guide aborde les concepts de manière générale et ne se concentre pas sur une marque ou un modèle particulier, bien qu'ils puissent être mentionnés à un moment donné. Il peut y avoir des différences importantes dans les procédures de calibration ou d'ajustement entre différentes marques et modèles, il est donc recommandé de consulter le manuel du fabricant avant de lire ce guide.