Filaments PAEK : Matériaux Haute Performance pour l'Impression 3D

Dans le monde de l'impression 3D FDM/FFF, une famille de matériaux se distingue clairement depuis quelques années : la famille PAEK (polyaryléthercétone). Les matériaux appartenant à cette classe sont des plastiques semi-cristallins, capables de résister à des températures élevées (proches de 200 °C) tout en conservant d'excellentes propriétés mécaniques.

Filament PEEK (PolyEtherEtherKetone)

Le PEEK (PolyEtherEtherKetone) est le plus cristallin des trois matériaux. Cela lui confère les valeurs de résistance mécanique les plus élevées (sans compter les composites avec fibre de carbone). Cependant, cette structure cristalline ordonnée dans les trois dimensions de l'espace rend le matériau plus instable lors de la fusion, ce qui implique une grande difficulté d'impression, même pour des utilisateurs experts équipés d'imprimantes 3D avancées.

Filament PEKK (PolyEtherKetoneKetone)

Le PEKK (PolyEtherKetoneKetone) possède une structure semi-cristalline (moins cristalline que le PEEK). Cette structure se caractérise par deux régions distinctes, une amorphe et une cristalline. Cette condition structurelle offre une plus grande facilité d'impression (vitesse de cristallisation plus faible) tout en conservant des valeurs de résistance similaires, voire supérieures à celles du PEEK.

Le PEKK se distingue du PEEK par sa résistance à la compression, jusqu'à 80 % supérieure. De plus, ce filament offre une résistance chimique exceptionnelle à une vaste gamme de fluides : hydrocarbures halogénés (benzène), fluides automobiles (liquide de refroidissement), alcools et solutions aqueuses (eau de mer).

Applications du PEKK

L'utilisation du PEKK est très répandue, de la médecine aux applications militaires. Son potentiel est tel que la NASA l'utilise pour ses impressions 3D dans l'espace. En médecine, certains centres de développement ont créé des genoux, des hanches et d'autres types d'implants fonctionnels avec un succès retentissant. La combinaison de tous ses avantages a permis le développement de casques militaires légers, résistants et anti-réfléchissants pour éviter d'être détectés par la lumière émise par une lampe torche ennemie. Enfin, de grandes entreprises aéronautiques utilisent le PEKK pour fabriquer des pièces fonctionnelles pour leurs avions.

Filament PEI (ULTEM 1010 et ULTEM 9085)

Le PEI (ULTEM 1010 et ULTEM 9085) est le matériau le plus modifié au sein de la famille PAEK, au point d'être désigné comme une résine par les experts du domaine. La résistance thermique de ce matériau est l'une des plus élevées dans le domaine de l'impression 3D FDM/FFF, avec une température de transition vitreuse de 215 °C et une température de travail maximale constante sous une pression de 0,45 MPa de 200 °C.

L'avantage du PEI est que, à ces températures, les propriétés mécaniques restent pratiquement inchangées. Cela est dû à sa grande stabilité dimensionnelle qui maintient la forme structurelle même en augmentant la température, ce qui est impensable avec la majorité des matériaux existants en impression 3D FDM/FFF.

Applications du PEI

L'ULTEM 1010 est couramment utilisé pour fabriquer des outillages de moulage par injection à cycles courts, des outils de stratification en fibre de carbone et d'autres types de moules soumis à des valeurs élevées de pression et de température (autoclave). Parmi ces moules à haute résistance figurent ceux utilisés pour le processus de vulcanisation des plastiques, comme le caoutchouc. Grâce aux moules en PEI ULTEM 1010, il est possible de les fabriquer plus rapidement, plus facilement et moins cher que les moules en acier actuels. D'autre part, l'ULTEM 9085 est le matériau révélateur de l'industrie aéronautique. Sa résistance thermique, sa résistance chimique, sa résistance à la rupture et ses hautes performances permettent à ce matériau de répondre aux critères de test et de traçabilité les plus stricts exigés par l'industrie aérospatiale et les organismes de réglementation des certificats.

Filament PEKK Filament PEKK CF Filament PEI Filament PEI CF

Innovation continue dans l'amélioration des matériaux

De grands fabricants de filaments comme le français Nanovia ont révolutionné le marché en améliorant à la fois le PEKK et le PEI (ULTEM 1010) avec de la fibre de carbone. La fibre de carbone est un matériau pseudo-amorphe qui offre à ces matériaux un point de fusion plus bas, une cristallisation plus lente et maintient la haute température de cristallisation (Tg = 160 °C), ce qui se traduit par une augmentation de la facilité d'impression. De plus, cette combinaison améliore également la stabilité structurelle, améliorant les propriétés mécaniques. Pour toutes ces raisons, le PEKK CF et le PEI CF ont gagné leur place dans la catégorie des matériaux les plus puissants et faciles à utiliser dans l'impression 3D FDM/FFF. En outre, ces deux matériaux rivalisent de manière générale avec les thermoplastiques les plus utilisés dans l'industrie de l'ingénierie (polysulfones, sulfures de polyphénylène et polycétones).

Image 2 : PEI CF. Source : Nanovia

Exigences pour l'utilisation des matériaux PAEK

Enfin, il faut mentionner que l'utilisation de ces matériaux avancés est réservée aux utilisateurs expérimentés disposant d'imprimantes 3D à technologie avancée. Les exigences minimales qu'une imprimante 3D FDM/FFF doit avoir pour utiliser ces matériaux sont : température de l'extrudeuse 370-400 °C, température du plateau supérieure à 150 °C, température de la chambre supérieure à 80 °C. Ces valeurs sont nécessaires en raison de la sensibilité de ces matériaux à la déformation structurelle au contact de zones d'air à différentes températures.

La conclusion finale est que tous les matériaux appartenant à la famille PAEK (PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF) se situent au sommet de l'utilisation industrielle grâce à leur haute température d'inflammabilité, leur résistance chimique, leur résistance mécanique et leur bon rapport résistance/poids.