Pourquoi l'isotropie est cruciale en impression 3D : Améliorer la cohérence et les performances

L'isotropie dans les matériaux est une qualité qui définit l'uniformité de ses propriétés quelle que soit la direction dans laquelle elles sont mesurées.

En général, la plupart des thermoplastiques sont considérés comme des matériaux isotropes. En raison de leur nature et de la cohésion entre les chaînes polymères qui les composent étant uniforme dans toutes les directions, leurs propriétés mécaniques le sont aussi.

Le fait qu'un matériau soit isotrope n'implique pas que toutes les pièces fabriquées avec ce matériau conservent cette qualité. À de nombreuses occasions, la méthode de formage ou de fabrication peut rendre une pièce anisotrope ou orthotrope, malgré que sa matière première ait de l'isotropie.

Par exemple, une pièce en thermoplastique renforcé de fibres. Dans la matrice plastique, les fibres sont orientées aléatoirement et uniformément, conservant ainsi l'isotropie du matériau. Cependant, si une pièce de ce matériau est fabriquée par des méthodes d'étirage mécanique, les fibres peuvent se réorienter dans la matrice dans une direction préférentielle et rendre le matériau anisotrope. Parfois, lors du processus d'injection thermoplastique ou du durcissement des résines, des contraintes internes sont générées qui peuvent réduire le degré d'isotropie du matériau.

Parfois, cette anisotropie est une décision d'ingénierie qui prend en compte les charges que la pièce supportera et cherche à améliorer ses performances ou à optimiser le rapport poids/résistance. C'est le cas, par exemple, des composites renforcés de fibres, dans lesquels des mailles de fibres orientées sont souvent utilisées pour améliorer les propriétés dans une certaine direction.

Image 1 : Matériau isotrope et anisotrope. Source : Instron.

Mais, que se passe-t-il lorsque cette anisotropie est une conséquence non voulue, produit de la méthode de formage ou de fabrication ? Dans ce cas, si les charges qui agiront sur la pièce ne sont pas uniformes et que nous connaissons bien comment l'isotropie de la pièce varie après sa fabrication, nous pouvons adapter son orientation pendant le processus de formage pour que la direction préférentielle coïncide avec la direction de la charge. Cela complique considérablement les tâches de conception et de fabrication, mais peut être un obstacle surmontable.

Cependant, lorsque nous ne savons pas a priori dans quelle direction les charges agiront sur une pièce, le fait que ses propriétés ne soient pas uniformes dans toutes les directions peut poser un problème majeur. Premièrement, les propriétés dans toutes les directions devraient être testées et les valeurs les plus basses, comme la résistance de la pièce, devraient être considérées. Deuxièmement, il est beaucoup plus compliqué de déterminer quand cette pièce va faillir, car la durée de vie lorsque les charges agissent dans sa direction la plus favorable peut être bien plus longue que lorsqu'elles agissent dans la moins favorable.

C'est pourquoi, lorsqu'il s'agit de pièces qui doivent remplir une fonction mécanique ou structurelle, le contrôle de l'isotropie est d'une grande importance.

L'isotropie dans l'impression 3D

L'une des méthodes de fabrication dans laquelle l'isotropie est clairement affectée est l'impression 3D FDM. Cette méthode de fabrication repose sur la formation de la pièce couche par couche par extrusion d'un fil de polymère fondu.

C'est précisément pour cette raison qu'au niveau de sa microstructure, les pièces imprimées en FDM sont des structures microporeuses. Cela implique que la section réelle de la pièce varie dans chaque direction par rapport à la section apparente que nous pouvons mesurer au niveau macroscopique. De plus, un autre facteur entre en jeu : la cohésion entre couches, qui ne se produit pas toujours de manière idéale et reproductible.

Image 2 : Microstructure d'une impression 3D FDM. Source : Formlabs.

En raison de ce décalage entre les sections réelles et apparentes, le module apparent lors du test de la pièce sur les trois axes variera également.

Par exemple, si nous testons un cube de 1 cm³, nous verrons que le module d'élasticité est différent sur les trois axes. C'est parce qu'en calculant E = (F⁄S) / (∆L⁄L) où S est la section de la pièce, nous prenons comme section 1 cm² pour les trois axes, alors que la section réelle varie d'un axe à l'autre comme on le voit dans l'image 3.

Image 3 : Sections d'une pièce imprimée avec 100% de remplissage et toutes les couches orientées dans la même direction.

Nous pourrions minimiser cet effet en variant la direction d'impression sur chaque couche. En orientant les couches à 90° comme montré à la figure 4, nous pourrions obtenir des pièces orthotropes sur les axes X et Y, bien que l'anisotropie persiste sur l'axe Z.

Image 4 : Sections d'une pièce imprimée avec 100% de remplissage et chaque couche orientée à 90° par rapport à la précédente.

En théorie, si nous variions chaque couche d'un petit angle, dans de grandes pièces composées d'un grand nombre de couches superposées, nous pourrions obtenir une isotropie plane dans le plan XY, mais nous n'atteindrions toujours pas une isotropie complète.

Nous pourrions essayer d'obtenir les sections réelles des pièces et ainsi prédire leurs propriétés théoriques dans chaque direction, cependant en pratique les imprimantes FDM ne sont pas suffisamment précises pour obtenir des structures homogènes et reproductibles, comme on le voit dans l'image 5.

Image 5 : Sections de pièces imprimées avec des couches de 0,1, 0,2 et 0,3 mm. Source : S. Garzon-Hernandez et al. Materials and Design 188 (2020) 108414

Pour tout cela, il est très difficile de prédire le comportement mécanique d'une pièce imprimée en FDM.

Cependant, ce phénomène n'est pas universel dans l'impression 3D. D'autres technologies telles que l'impression 3D SLA et l'impression 3D SLS produisent des pièces avec une haute isotropie.

Dans l'impression SLA, les pièces sont formées par photopolymérisation d'une résine couche par couche. Cela implique que les pièces sont complètement denses et donc leurs sections apparente et réelle sont identiques. De plus, la cohésion entre molécules est formée par des liaisons chimiques et de manière homogène dans toute la pièce.

Image 6 : Module de Young d'une pièce imprimée en SLA, mesuré à différents angles. Source : Formlabs

Malgré le fait que traditionnellement les résines SLA n'étaient pas considérées pour des applications techniques en raison de leurs mauvaises propriétés mécaniques, ces dernières années, il y a eu un bond significatif dans le développement de résines avec des propriétés mécaniques et thermiques compatibles avec les exigences les plus exigeantes. C'est le cas des résines d'ingénierie de Formlabs, qui, conjointement avec l'imprimante Form 3L, capable de produire des pièces jusqu'à 335x200x300 mm, forment le tandem parfait pour de nombreuses applications nécessitant des pièces isotropes avec de hautes propriétés mécaniques.

Image 7 : Imprimante SLA Form 3L. Source : Formlabs

Cependant, malgré l'avancée dans le développement de matériaux techniques pour les SLA, la technologie qui garantit les meilleurs résultats pour les applications techniques est l'impression 3D SLS.

Cette technologie repose sur le frittage couche par couche de microparticules polymériques. Le résultat est des pièces avec des caractéristiques idéales pour les applications d'ingénierie : elles ont une haute isotropie, une haute précision dimensionnelle et peuvent être imprimées sans supports, permettant des géométries hautement complexes et même l'impression de mécanismes mobiles déjà assemblés.

Les pièces produites par l'impression SLS sont poreuses, cependant, contrairement à celles produites par FDM, leur porosité est homogène et ne dépend pas de l'orientation de la pièce pendant l'impression, comme on le voit dans l'image 8.

Image 8 : Microstructure interne d'une pièce imprimée en SLS.

Cela leur confère une haute isotropie, puisque, bien que leurs sections réelles et apparentes ne soient pas les mêmes, elles restent constantes dans toutes les directions.

C'est pourquoi, bien que les propriétés mécaniques des pièces imprimées en SLS soient différentes de celles du matériau de départ, elles sont constantes, indépendantes de l'orientation de la pièce et peuvent être facilement déterminées, ce qui simplifie les calculs d'ingénierie et permet de déterminer avec de faibles marges d'erreur la résistance et la durée de vie des composants fabriqués avec cette technologie.

De plus, l'impression SLS permet l'utilisation de polymères techniques largement utilisés dans le secteur industriel, tels que le nylon 11, le nylon 12 ou même des élastomères thermoplastiques tels que le TPE et le TPU.

C'est le cas d'imprimantes 3D comme la Lisa Pro, une imprimante avec un excellent rapport qualité-prix, capable de produire des pièces de très haute qualité dans des matériaux tels que le polyamide 11, grâce à sa capacité à imprimer en atmosphère d'azote.

Vidéo 1 : Vidéo Lisa Pro. Source : Sinterit

Lorsqu'il s'agit de produire des pièces par impression 3D qui doivent répondre à certaines exigences mécaniques, il ne faut pas seulement considérer les propriétés du matériau de départ mais aussi la technologie par laquelle elle sera fabriquée. Bien que la technologie FDM soit probablement la plus polyvalente en matière de choix de matériaux techniques, le fait que les pièces imprimées aient une isotropie très faible peut être un gros problème difficile à surmonter dans de nombreux cas. L'orientation de la pièce pendant l'impression, la sélection des motifs de remplissage, et une bonne compréhension de où et sous quelles conditions la pièce fonctionnera sont des facteurs critiques dans la production de composants techniques en impression 3D FDM. Cela signifie que la conception et la production de pièces avec cette technologie est peut-être la plus complexe tout en présentant des limitations significatives.

Beaucoup de ces limitations disparaissent avec l'impression SLA et SLS. La possibilité d'obtenir des pièces denses ou à porosité homogène, avec une haute isotropie et la disponibilité de matériaux techniques avec de bonnes propriétés mécaniques, en font une alternative prometteuse pour les applications où l'impression 3D FDM n'est pas adaptée.

De plus, la possibilité d'imprimer des pièces sans supports pré-assemblés et des mécanismes mobiles fait de l'impression SLS la technologie idéale en réduisant et simplifiant le post-traitement des pièces.