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Matériaux 3D hautes températures

03 septembre 2021

Les matériaux hautes températures : comment l’impression 3D FFF répond aux besoins les plus exigeants ?

Généralement utilisés dans les processus plus traditionnels pour leurs caractéristiques mécaniques et chimiques, les matériaux hautes températures (PEEK, PEKK, PEI) peuvent également être imprimés grâce au procédé FFF.

Lorsque l’on parle d’intégration de technologie 3D, la sélection des matériaux en adéquation avec ses applications est une étape cruciale afin de s’orienter vers le bon équipement. Par exemple, des matériaux hautes performances nécessiteront souvent une imprimante à plateau et enceinte chauffés, tandis que cela ne sera pas systématique pour des matériaux standards.
 
Neofab, expert dans les solutions d’impression 3D industrielles, a recensé les différents matériaux disponibles pour l’impression 3D dépôt de fil (FFF) et leurs spécificités, afin de guider les industriels dans leurs choix. 

Lorsqu’il est question de la fabrication additive, les matériaux hautes températures sont essentiels et permettent à de nombreux industriels d’obtenir des pièces finales capables de supporter des conditions extrêmes. 

Quels sont les matériaux hautes températures ?

Le PEI

Le PolyEtherImide plus connu sous le nom de PEI ou encore ULTEM™ est un thermoplastique haute température de type amorphe. L’ULTEM™ est utilisé pour de nombreuses applications industrielles notamment lorsque le cahier des charges décrit un besoin de résistance à plusieurs niveaux : thermique, chimique et mécanique.

Le PEKK

Le PolyétherKetoneKetone, plus connu sous le nom de PEKK, est un thermoplastique semi-cristallin. Ce matériau appartient à la famille des PAEK, réputée pour ses propriétés mécaniques et chimiques. En effet, il a par exemple une excellente résistance à la traction.

Le PEEK

Le PolyEtherEtherKétone, plus communément appelé PEEK, est un thermoplastique semi-cristallin tout comme le PEKK.

La différence entre ces deux matériaux hautes performances se situe au niveau du ratio éther/kétone : le PEKK possède davantage de liaisons kétones, plus flexibles que les liaisons éthers. Cela permet notamment d’augmenter la rigidité des chaînes polymères, élevant ainsi les températures de transition vitreuses (température à laquelle le matériau commence à se ramollir) et de fusion.

Avantages et particularités des matériaux 3D hautes températures

PEI

Le PEI est connu pour sa résistance aux hydrocarbures, il a de très bons résultats aux tests FST (Flame, Smoke, Toxicity). Il est également un des matériaux possédant le meilleur rapport résistance poids.

Il fait partie des meilleurs thermoplastiques sur le marché lorsque l’on parle de stabilité dimensionnelle. Les grades remplis offrent des capacités dimensionnelles de tolérance exceptionnellement élevées. De plus il répond à un très grand nombre de normes requises dans les secteurs aéronautique, automobile, etc.

Le PEI a une température d’extrusion généralement comprise entre 330°C et 350°C et nécessite un plateau chauffant et une enceinte fermée chauffée et régulée.

Propriétés filament 3D ULTEM

PEKK

Le PEKK arrive à résister à de nombreux fluides comme le benzène, le liquide réfrigérant utilisé dans le secteur automobile, ou encore de nombreux alcools.

Il possède également une très bonne stabilité diélectrique et des propriétés d’isolation, avantages clés dans le domaine de l’électronique. Comme la plupart des matériaux haute température, le PEKK est ininflammable et ne dégage pas de fumées toxiques.

Le PEKK a une température d’extrusion généralement comprise entre 340 et 360°C et nécessite un plateau chauffant et une enceinte fermée chauffée et régulée. Il est nécessaire de passer par une étape de cuisson (post impression) pour atteindre des propriétés optimales.

Performance filament PEKK

PEEK

Le PEEK est réputé pour sa propriété thermomécanique élevée. Il se situe tout en haut dans la catégorie des polymères hautes performances. Il nécessite également de passer par une étape de cuisson (post impression) pour atteindre ses propriétés optimales.

Propriété mécaniques PEEK

Quelles pièces peuvent être imprimées avec ces matériaux ? – Cas d’applications

Couplés à des imprimantes 3D FFF industrielles, telles que les imprimantes 3D Gence qui sont dotées d’enceintes chauffées et régulées, les matériaux hautes températures offrent de multiples possibilités d’applications. Pour illustrer cela, Bastien Debaud, Ingénieur application au sein de Neofab, met en lumière quelques exemples :

Pièces fonctionnelles de structures et de boitiers - Aéronautique

Le groupe Ségneré, industriel spécialisé dans l’assemblage de structures pour l’aéronautique, s’est tourné vers l’impression 3D dépôt de fil afin d’optimiser ses temps de fabrication, notamment grâce à la conception d’outillages directement en interne. Comme l’entreprise souhaitait aussi réaliser des pièces fonctionnelles pour ses clients, le choix de matériaux hautes températures (tels que l’ULTEM™ ou le PEEK) s’est imposé, tout comme le recours à une technologie haute performance. La technicité recherchée a pu être atteinte et permet ainsi de produire des pièces de structure ou des boitiers de sonde.

Impression 3D pièce aéronautique
« L’implémentation d’une 3D Gence F420 au sein du groupe SEGNERE leur permet d’imprimer des pièces hautes températures et d’être plus réactif aux demandes de leurs clients. L’impression 3D haute température vient en complément de leur cœur de métier : l’usinage de précision. »
Bastien DEBAUD | Ingénieur application Neofab

Outils d’assemblages en PEEK - Automobile

Dans le cas d’un accessoire pour gabarit de montage utilisé sur une ligne de production automobile, une technologie d’impression 3D combinée à un filament PEEK a été privilégiée. La réactivité est ainsi optimale puisque la pièce est disponible et fonctionnelle pour la ligne de production immédiatement après les étapes de post-traitement. D’autre part, le coût de production est également réduit par rapport à l’usinage puisque seule la matière nécessaire est déposée.

« Pour cette application, le choix du PEEK prend tout son sens pour 2 choses : la tenue aux hydrocarbures et la sollicitation à la friction sur une ligne d'assemblage, indispensables dans le secteur automobile. »
Bastien DEBAUD | Ingénieur application Neofab

Pièce de jonction en ULTEM™ - Aéronautique

L’aéronautique est un secteur particulièrement exigeant, notamment sur les résistances feu/fumée. Pour réaliser un capot utilisé comme pièce de jonction dans une cabine d’un avion-cargo, le respect de la norme UL96-V0 est imposé. Le choix de l’ULTEM™ et de l’impression 3D permet d’obtenir à la fois une pièce qui remplit les exigences du cahier des charges et satisfaire le besoin de réactivité en interne.

Application aéronautique impression 3D Piece technique 3D
« Comme celle-ci, de nombreuses pièces peuvent être exposées aux flammes dans le secteur de l’aéronautique. Ici l’ULTEM™ est le parfait matériau pour cette application, car il répond à la norme UL96 V0. »
Bastien DEBAUD | Ingénieur application Neofab

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