Quels matériaux pour l’impression composite 3D ?

La définition des matériaux composites – un mélange d’au moins deux éléments – est très large et offre toute une panoplie de matériaux à usage industriel, développés depuis des dizaines d’années. Longtemps, trois matériaux plastiques aux propriétés différentes ont été utilisés, en fonction des modèles d’imprimantes 3D développées : La résine, le polyamide et l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène).

Aujourd’hui, de plus en plus, des matières plastiques sont mélangées à des fibres, afin d’obtenir des matériaux composites possédant, entre autres, des propriétés de résistance, si besoin localisées sur certaines parties de la pièce à fabriquer. 

Les fibres aujourd’hui utilisées pour mettre au point ces matériaux composites sont les fibres de carbone, les plus populaires, et les fibres de verre ou de Kevlar. L’utilisation de fibres courtes, s’intégrant dans l’ensemble de la pièce à fabriquer, est aujourd’hui la plus répandue. Principalement parce que ce type de matériau est compatible avec de nombreuses imprimantes 3D. L’usage des fibres longues a son avantage : en effet, ces dernières sont placées sur la pièce pendant le processus d’impression, et il est donc possible de les répartir de manière hétérogène, pour renforcer en particulier certaines parties de la pièce. Les plus sensibles aux chocs.

L’usage massif de la fibre de carbone pour les plastiques composites résulte aussi de son coût de fabrication relativement faible, et de ses propriétés de rigidité, de résistance à la traction et de résistance chimique. 

La fibre de verre permet de fabriquer des matériaux composites à la fois moins rigides et moins cassants que les composites en fibre de carbone. Ils sont également moins chers. La fibre de verre est également un bon isolant électrique. Elle se caractérise par une faible conductivité thermique, et possède des propriétés mécaniques. Il est de plus en plus répandu, dans de nombreux domaines, celui de la construction en tête.

Le kevlar va de son côté offrir au matériau composite une forte résistance aux vibrations et à l’abrasion. Il est cinq fois plus résistant que l’acier tout en étant plus léger. La fibre de kevlar va trouver des applications dans de nombreux domaines industriels, en tout premier lieu de celui de l’automobile. 

Cet alliage entre plastiques et fibres permet d’apporter une réponse à ce qui était jusqu’alors le point faible des thermoplastiques utilisés pour l’impression 3D, à savoir un point de fusion bas et une faible résistance. 

Il est également possible d’obtenir des matériaux composites sans fibre, en utilisant une matrice chargée de particules. Les matrices correspondantes peuvent alors être à base de métal ou de plastique, par exemple. Le béton est un matériau composite à base de granulats, assimilables à des particules.

Les matrices plastiques utilisées pour fabriquer les matériaux composites voient par ce procédé leur résistance s’améliorer et leur poids diminuer.

Le PLA, le PETG, le nylon, l’ABS ou bien le polycarbonate sont aujourd’hui utilisés en majorité. Le PLA, de par sa compatibilité avec un grand nombre de gammes d’imprimantes 3D, est très utilisé par les industriels. 

Enfin, des matériaux composites innovants sont développés, à base de particules ou de fibres jusqu’alors peu ou pas utilisées avec des imprimantes 3D. Ces nouveaux composites permettent aux industriels, notamment, de proposer des finitions esthétiques variées, et des gammes de produits imprimés en 3D plus diversifiés et à plus haute valeur ajoutée. 

La matrice plastique peut ainsi être chargée en fibres ou particules de bois, par exemple, pour l’aspect esthétique. Il en va de même avec les charges de particules phosphorescentes, qui donnent à la pièce fabriquée un aspect lumineux dans le noir.

On le voit, la diversité des matériaux composites développés pour l’impression 3D permet aux industriels de disposer de toute une gamme de matériaux, dont la solidité et la légèreté peut varier, selon les matrices choisies, en fonction de la pièce à fabriquer.