Révolutionner l'impression 3D FFF avec les supports en filament soluble

L'une des principales limitations de l'impression 3D FFF par rapport aux autres technologies de fabrication additive est la nécessité que la zone imprimée de chaque couche soit soutenue par une couche précédemment imprimée. Cela signifie que toute partie de la pièce avec un porte-à-faux supérieur à 45º ou tout pont plus long que 10 mm nécessite des structures de support.

Sur les imprimantes 3D FFF à un seul extrudeur, la seule option pour générer des structures de support est d'utiliser le même matériau d'impression que la pièce. Ces supports doivent être retirés mécaniquement après la fin de l'impression, et diverses stratégies sont employées pour faciliter cela, comme faire ces supports avec des structures à faible densité et laisser une couche de séparation entre le support et la pièce. Cela permet de retirer les supports manuellement sans outils, bien que les finitions de surface des surfaces en contact avec les supports soient souvent mal finies.

Image 1 : Supports sur pièces imprimées en 3D. Source : 3DHubs

Sur les imprimantes 3D FFF à double extrudeur, la gamme d'options s'élargit, car il n'est pas nécessaire d'utiliser le même matériau pour la pièce et pour les supports. Cela ouvre la porte à l'utilisation de matériaux solubles dans des solvants qui ne dissolvent pas le matériau de la pièce. Cela permet d'utiliser des supports denses en contact avec la pièce qui garantissent une excellente finition sur la surface de contact.

Image 2 : Double extrudeur Raise3D Pro2. Source : Raise3D

Il existe de nombreux filaments de support solubles différents, mais ils ne sont pas tous les mêmes, ni n'ont tous la même compatibilité. Lors de la sélection d'un matériau de support soluble, il est important de considérer un certain nombre de caractéristiques pour assurer la compatibilité avec le matériau d'impression utilisé. Ces caractéristiques sont :

• Il doit être soluble dans un solvant qui n'endommagera pas ni n'altérera les propriétés du matériau utilisé dans la pièce.

• Il doit être thermiquement compatible avec le filament de la pièce, donc il doit avoir des températures d'impression et de plateau similaires, ainsi que des températures de ramollissement similaires.
• Il doit avoir une bonne adhérence avec le matériau utilisé dans la pièce.
• Il doit être facilement imprimable et avoir une bonne adhérence entre couches.

Il existe actuellement trois principaux types de matériaux de support solubles :

• Filaments solvants dans des solvants organiques
• Filaments solubles dans l'eau avec un activateur
• Filaments solubles dans l'eau

FILAMENTS SOLUBLES DANS DES SOLVANTS ORGANIQUES.

Ce sont des matériaux avec des propriétés similaires au matériau utilisé dans la pièce mais qui peuvent être dissous dans un solvant qui n'attaque pas ou ne dissout pas le matériau qu'ils complètent.

Il n'y a actuellement pas beaucoup d'options pour ce type de filament, principalement en raison de deux problèmes : d'une part, les matériaux avec des propriétés physicochimiques similaires qui les rendent compatibles entre eux se comportent aussi généralement de manière similaire avec la plupart des solvants, ce qui rend difficile de trouver un solvant approprié. D'autre part, beaucoup de ces solvants organiques sont hautement toxiques ou pas accessibles à la plupart des utilisateurs et nécessitent un traitement des déchets spécialisé.

Image 3 : D-Limonène. Source : Filament2print

Le filament le plus couramment utilisé de ce type est le HIPS, dont les propriétés le rendent compatible avec la plupart des matériaux basés sur l'ABS et l'ASA. En plus d'avoir des propriétés thermiques similaires, il a une bonne adhérence à l'ABS et l'ASA. C'est actuellement l'un des matériaux de support les plus largement utilisés, non seulement en raison de sa compatibilité avec l'ABS, mais aussi en raison de son faible coût et parce qu'il est soluble dans le D-Limonène, un solvant organique accessible, peu coûteux et à faible toxicité.

FILAMENTS SOLUBLES DANS L'EAU GRÂCE À L'UTILISATION D'UN ACTIVATEUR.

Ce sont des polymères à base d'ATP (terpolymères d'acrylate). Ces matériaux ont la caractéristique d'être solubles dans des solutions alcalines. Ils ont une excellente compatibilité avec les matériaux basés sur l'ABS et l'ASA, et peuvent aussi être utilisés avec le polycarbonate (bien que leur compatibilité soit quelque peu inférieure).

Ils ne sont pas directement solubles dans l'eau, car ils nécessitent que l'eau ait un pH alcalin, donc l'utilisation d'un activateur tampon, comme le 3DWash, est nécessaire.

Image 4 : 3DWash. Source : Traxer

Ils sont une alternative parfaite au HIPS, non seulement parce qu'ils n'exigent pas l'utilisation de solvants organiques, mais aussi parce qu'ils sont des filaments développés et additivés spécifiquement pour être utilisés comme matériau de support, donc ils se dissolvent généralement plus rapidement et laissent moins de résidus sur la pièce.

Vidéo 1 : Présentation vidéo de PolyDissolve S2. Source : Polymaker

Quelques filaments représentatifs sont PolyDissolve S2 et Z-SUPPORT ATP.

FILAMENTS SOLUBLES DANS L'EAU

L'un des principaux objectifs des fabricants a été d'obtenir des filaments de support solubles directement dans l'eau. C'est parce qu'ils ne nécessitent pas de solvants organiques ni de solutions alcalines, ce qui en fait l'alternative la plus sûre et la plus accessible pour la plupart des utilisateurs.

C'est pourquoi c'est la catégorie avec la plus grande variété de matériaux différents, et avec des options compatibles avec une large gamme de filaments.

Au sein des filaments solubles dans l'eau, deux types peuvent être distingués :

Filaments solubles dans l'eau compatibles avec les matériaux à basse température : Ce sont des filaments basés sur le PVA (alcool polyvinylique) ou le BVOH (alcool vinylbutènediol). Les deux matériaux ont une excellente compatibilité avec le PLA et peuvent être utilisés avec le PA (bien que leur compatibilité ne soit pas aussi bonne). Le BVOH peut être considéré comme une évolution du PVA et présente plusieurs avantages sur le PVA, comme une meilleure compatibilité avec le PETG ou même avec certains filaments flexibles et un taux de dissolution plus élevé dans l'eau froide. Certains filaments PVA sont LAY-PVA ou PVA Raise, tandis que Mowiflex ou Z-SUPPORT Premium sont basés sur le BVOH.

Vidéo 2 : Comparaison entre PVA et BVOH. Source : BCN3D

Filaments solubles dans l'eau compatibles avec les matériaux à haute température : Ce sont les filaments de support les plus avancés actuellement disponibles. Ils sont composés d'un matériau composé d'un mélange d'un polymère soluble dans l'eau (similaire aux précédents) et d'un sucre, généralement du tréhalose, un polysaccharide rapidement soluble dans l'eau et avec une haute stabilité thermique. La proportion entre polymère et sucre, conjointement avec l'utilisation de certains additifs spécifiques à chaque fabricant, permet d'obtenir différentes formulations de matériaux solubles dans l'eau qui sont compatibles avec des matériaux dans une large gamme de températures, de l'ABS au PEEK ou ULTEM.

Image 5 : Pièce PA-CF avec supports en Aquatek X1. Source : 3DXTech

Certains filaments comme Aquasys 120 ou Aquatek X1 sont compatibles avec le PLA ainsi que l'ABS, l'ASA, le PA, le PETG ou certains filaments flexibles. Aquasys 120 peut aussi être utilisé avec le PC ou le PP. De plus, les deux matériaux peuvent supporter des températures de chambre jusqu'à 120°C et sont donc aussi adaptés pour une utilisation dans les imprimantes industrielles.

Un cran au-dessus est l'Aquasys 180, probablement le matériau de support le plus avancé et le plus compatible disponible aujourd'hui. En plus d'être compatible avec les mêmes matériaux que l'Aquasys 120, il peut être utilisé avec le PEKK, le PEEK, l'ULTEM et le PPSU car il peut supporter des températures de chambre jusqu'à 180°C.

Image 6 : Pièce avec supports fabriqués en Aquasys 180. Source : Infinite Material Solutions

Cependant, le principal avantage de ce type de filaments (leur haute solubilité dans l'eau) est aussi leur principal inconvénient, car ils sont hautement sensibles à l'humidité environnementale. Cela rend nécessaire de garder ces filaments dans des conteneurs spéciaux, tant pendant le stockage que pendant l'utilisation. De plus, comme ces filaments absorbent l'humidité, leur adhérence se dégrade et le risque de colmatage augmente.

COMMENT CHOISIR LE FILAMENT SOLUBLE LE PLUS ADAPTÉ.

Lors de la sélection du filament soluble le plus approprié, il est nécessaire d'analyser le matériau à compléter.

• ABS/ASA : En général, il est conseillé d'éviter l'utilisation du HIPS car cela implique la manipulation de solvants organiques et génère des déchets qui ne peuvent pas être éliminés directement. Dans ce cas, les filaments ATP solubles dans l'eau avec l'utilisation d'un activateur sont l'option la plus recommandée. Ils ont une excellente compatibilité avec ces matériaux et ont une faible sensibilité à l'humidité, ce qui les rend plus faciles à stocker et utiliser, ainsi que de minimiser le risque d'échec d'impression.

• PLA : Les matériaux avec la meilleure compatibilité avec le PLA sont ceux basés sur le PVA et le BVOH. Parmi ceux-ci, les matériaux basés sur le BVOH sont moins sensibles à l'humidité, bien qu'en général les matériaux basés sur le PVA soient légèrement moins chers.

• PETG/PA : Bien qu'il soit possible d'utiliser le PVA et le BVOH comme matériau de support avec le PETG et le PA, leur compatibilité n'est pas particulièrement bonne. Dans ce cas, la meilleure option est les filaments solubles dans l'eau compatibles avec les matériaux à haute température comme Aquasys 120.

• Flexibles : La compatibilité entre support et matériaux flexibles n'a jamais été particulièrement bonne. Il est possible d'utiliser le BVOH ou des matériaux comme Aquasys 120 avec certains filaments flexibles, cependant il sera nécessaire de tester chaque filament flexible pour vérifier la compatibilité.

• PEEK/PEKK/PEI/PPSU : Dans ce cas, la meilleure option est d'utiliser l'Aquasys 180, car c'est le matériau qui garantit la meilleure compatibilité avec ce type de matériau et a la meilleure stabilité thermique à haute température.

• Si vous utilisez habituellement des supports solubles avec différents matériaux, l'option idéale est d'utiliser un seul matériau compatible avec tous les matériaux, comme Aquasys 120 ou Aquatek X1, plutôt que d'en avoir un différent pour chaque matériau.

Bien que les filaments solubles soient souvent désignés comme un seul groupe, ils consistent en réalité en différents matériaux, avec leurs propres caractéristiques très spécifiques. De nos jours, il est possible de trouver des filaments solubles de haute qualité compatibles avec presque tous les matériaux du marché, du PLA au PEEK.