Quel Filament d'Imprimante 3D est le Plus Résistant ? Guide Expert Durabilité et Performance

Les imprimantes FDM/FFF (Modélisation par Dépôt de Filament / Fabrication par Filament Fondu) construisent des pièces باستخدام des brins de matière plastique appelés filaments. Le plastique est fondu et extrudé pour construire le modèle 3D. Il existe plusieurs types de filaments connus pour leur résistance et durabilité. Votre définition du « plus résistant » dépend cependant de l'application spécifique et des exigences de la pièce imprimée.

Il y a deux interprétations de base de la « résistance » applicables au comportement tensil des filaments d'imprimante 3D. Elles dépendent de la sollicitation en traction finale de la pièce finie.

Dans un cas, la pièce est chargée dans une direction alignée avec les filaments. Dans ce cas, une haute résistance à la traction du filament brut se traduit par une bonne résistance à la traction de l'article fini.

L'autre cas survient quand la pièce est chargée perpendiculairement aux couches d'impression. Ici, le « filament 3D le plus résistant » devient une expression de la résistance d'adhésion entre filaments adjacents liés, plutôt que de la résistance intrinsèque du filament. Cette situation mène à une définition qui regarde la résistance comme « quel filament lie le plus solidement ».

Ces deux propriétés de filament (et d'autres) sont critiques pour construire des modèles à haute résilience, tolérance à la flexion et résistance à l'abrasion. Vous devez équilibrer les exigences de la construction finale, ciblant résistance à la traction, résistance à la flexion, dureté à l'usure, ténacité à l'impact, et plus. Chaque type de filament donne des avantages différents, mais aucun ne conviendra à toutes les situations. Rappelez-vous aussi que votre imprimante n'acceptera pas tous les matériaux possibles, et certains filaments ont plus de contraintes de conception que d'autres. Et quel que soit votre choix, les propriétés du produit final dépendront fortement de la qualité du design et de la réflexion apportée aux principes de conception pour la fabrication (DFM).

Cet article examinera plusieurs filaments d'impression 3D considérés comme ayant un bon équilibre de propriétés et passera en revue certains concepts à garder à l'esprit lors de la conception pour eux.

Quels sont les Types de Filaments d'Imprimante 3D ?

Les filaments FDM/FFF existent en de nombreux matériaux, avec une gamme encore plus large d'additifs améliorant des propriétés spécifiques : résistance à l'abrasion, résistance à la traction, ténacité à la flexion. Voici les matériaux de base de filaments largement considérés comme offrant la plus haute résistance, ténacité et durabilité dans les modèles imprimés 3D :

1. Polycarbonate

Les filaments polycarbonate (PC) produisent des modèles à haute résistance, ténacité et résistance à la chaleur. Dans la direction axiale du filament, sa résistance à la traction est de 66 MPa. Avantages : haute résistance, tolérance à la température, clarté optique. Inconvénients : difficile à imprimer, mauvaise tendance à absorber l'humidité. Prix : 70-200 $/kg au diamètre 1,75 mm. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur Qu'est-ce que le Polycarbonate ?

2. Nylon

Les modèles en filament nylon sont connus pour leur résistance et résistance à l'usure. Le matériau a une résistance à la traction de 50-90 MPa selon le grade. Le nylon est un matériau tenace et peu coûteux. Il peut être difficile d'imprimer des modèles de qualité, cependant, et le matériau s'affaiblit sévèrement quand sa teneur en humidité chute trop bas. Prix : 40-100 $/kg à 1,75 mm. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur Tout sur le Filament Nylon pour Impression 3D.

3. TPU

Le polyuréthane thermoplastique (TPU) construit des articles hautement résilients et élastiques supportant impacts et abrasion significatifs. Son élasticité inhérente en fait un matériau « résistant » à bien des égards. Résistance à la traction : 50 MPa. Inconvénients : bouche facilement les buses, doit être imprimé lentement. Prix : 30-60 $/kg à 1,75 mm. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur le Polyuréthane Thermoplastique, Ingénierie (ETPU).

Que Signifie la Résistance à la Traction pour un Filament d'Imprimante 3D ?

La résistance à la traction d'un filament d'impression 3D décrit la charge de traction maximale qu'un filament peut supporter avant de se fracturer ou de subir un étirement permanent (inélastique et irrécupérable). Les polymères thermoplastiques, comme ceux utilisés en impression FDM/FFF, ont des limites de charge d'extension élastique. Quand la charge est en dessous de la limite élastique du filament, il revient à ses dimensions d'origine une fois la charge retirée. Quand sa contrainte de charge élastique est dépassée, une déformation permanente ou une fracture se produit.

Que Signifie la Résistance à l'Impact pour un Filament d'Imprimante 3D ?

La résilience à l'impact pour un filament d'impression 3D mesure la réaction du filament à un impact ou chargement par choc soudain. Un matériau fort doit absorber l'énergie d'impact et se déformer sans se fracturer. C'est une propriété importante pour matériaux utilisés dans pièces mécaniques, jouets, équipements de protection, par exemple.

Il faut noter que la résilience à l'impact d'un article imprimé 3D n'est pas déterminée uniquement par le filament seul. Des facteurs comme : direction de construction relative à l'impact, construction/densité de remplissage interne en treillis, et fusion des couches de filament affectent aussi sa performance. Dans de nombreux cas, ces facteurs sont collectivement plus significatifs que les caractéristiques d'impact du filament brut.

Autres Métriques de Résistance pour Filaments d'Imprimante 3D

Les filaments d'imprimante ont d'autres propriétés liées à la résistance qui peuvent être critiques pour votre processus de conception. Il y a aussi des propriétés de maintien de la résistance à prendre en compte. Bien que ce puissent être des propriétés du filament, il est plus utile de les voir comme des propriétés d'un modèle, construit avec un type de filament. Ces métriques sont listées ci-dessous :

1. Résistance à la Flexion : Mesure la résistance d'un filament ou modèle à la fracture ou déformation permanente sous force de flexion.
2. Allongement à la Rupture : Mesure la capacité d'un filament ou modèle à résister à la fracture sous charges de traction soutenues en subissant une déformation permanente (inélastique) à mesure que la charge augmente. Lors de la fracture, une déformation plastique sera mesurable des deux côtés.
3. Résistance au Cisaillement : Mesure la capacité d'un matériau ou modèle à résister à la fracture ou déformation sous chargement par cisaillement. La résistance au cisaillement du matériau en vrac est seulement légèrement liée à celle d'une pièce imprimée. Les situations de cisaillement sont souvent complexes et ne représentent pas un cisaillement pur du matériau. Cela rend les résultats de test réels bien plus dépendants de l'orientation d'impression, du design de la pièce et des scénarios de chargement que de la propriété basique du filament.
4. Résistance à la Compression : Mesure la capacité d'un filament ou modèle à résister aux forces qui le compressent ou l'écrasent. Distinct de la propension du modèle à fléchir dans son ensemble sous compression — situation qui repose sur la résilience à la flexion. En réalité, la résistance à la compression du filament ne se rapporte que légèrement à celle d'une impression 3D, sauf si l'impression est solide et très simple en section transversale.
5. Résistance à l'Abrasion : Mesure la résistance de surface d'un modèle en filament à la rupture par écaillage ou meulage sous abrasion répétée par un matériau de dureté similaire ou supérieure.
6. Résistance à la Fatigue : Définit la tolérance du matériau au chargement cyclique approchant ses limites physiques. Taux de déformation, temps de récupération et nombre total de cycles peuvent tous affecter négativement le matériau. Cela peut être fonction de la direction de construction et d'autres paramètres d'impression autant que des propriétés clés du matériau.
7. Résistance à la Déchirure : Mesure la capacité d'un filament et du modèle à résister à la déchirure. Cela sera fonction des paramètres d'impression quand la déchirure est le long des plans de couches. Seulement quand la déchirure se produit dans la direction axiale du filament, cette résistance est entièrement basée sur les propriétés intrinsèques du matériau. Déchirure et cisaillement sont des modes étroitement liés.
8. Résistance à la Chaleur : Définit la capacité d'un modèle à retenir ses autres propriétés quand les températures montent. Si le polymère a une haute température de transition vitreuse, il tolérera des températures d'usage plus élevées avant de s'affaiblir.
9. Résistance au Fluage (Creep) : Définit la capacité d'un modèle à retenir sa stabilité dimensionnelle sous charge constante sur périodes prolongées.
10. Résistance Chimique : Définit la capacité d'un matériau à maintenir ses propriétés exposé à produits chimiques agressifs (solvants, acides, bases) ou conditions comme l'exposition UV.

Certains de ces paramètres s'aligneront étroitement avec les propriétés de base du matériau du filament, tandis que d'autres sont extrêmement dépendants du design et de la configuration de l'article imprimé.

Qu'est-ce que le Filament pour Imprimantes 3D ?

Le filament d'imprimante 3D est la matière première polymère alimentée dans l'extrudeur de l'imprimante et fondue pour la construction des modèles imprimés. Cette matière première peut être n'importe quel polymère d'une gamme et peut contenir d'autres additifs modifiant les propriétés du polymère. La matière première filamentaire est livrée sur bobines prêtes à installer qui alimentent l'extrudeur depuis une position fixe, via un guide. Le filament est saisi par un mécanisme d'entraînement à engrenages ou roues pincées qui le tire de la bobine et le pousse à travers la buse chauffée de l'extrudeur quand requis.

Qu'est-ce qu'un Polymère Haute Performance ?

Les polymères haute performance se différencient des matériaux plus courants par plusieurs caractéristiques possibles. Les matériaux haute performance sont généralement supérieurs dans au moins une de ces caractéristiques :

1. Résistance à la traction
2. Résistance au cisaillement
3. Résistance à la flexion
4. Limite de température avant dégradation des propriétés
5. Résilience chimique
6. Résilience à l'usure
7. Résistance au fluage
8. Élasticité

Qu'est-ce qu'un Filament Composite ?

Les filaments composites pour FDM/FFF sont des filaments d'impression 3D incluant des additifs dans le polymère de base. Additifs comme fibres de bois, poudres métalliques, fibres de carbone ou Kevlar®, et bien d'autres matériaux sont utilisés pour améliorer des propriétés particulières des polymères d'impression de base et haute performance. Les composites visent à améliorer les propriétés ou la fonctionnalité par rapport aux polymères purs.

Les fibres de bois à section transversale ronde et surfaces lisses améliorent la résistance, la rigidité et la densité des pièces imprimées. Le Kevlar®, la fibre de carbone ou les filaments chargés en graphène tendent à avoir une résistance, ténacité et rigidité supérieures. En proportions suffisantes, le graphène peut même rendre le matériau électriquement conducteur. Les filaments contenant des poudres de bronze, cuivre et acier inoxydable n'offrent pas de résistance accrue mais créent des apparences métalliques. Les filaments composites permettent de modifier une ou plusieurs propriétés des pièces imprimées 3D, mais des problèmes d'impression peuvent rendre ces matériaux difficiles à utiliser sur machines simples.

Quel est le Filament d'Imprimante 3D le Plus Résistant que Je Puisse Choisir ?

Le filament le plus résistant dépendra de spécificités comme : type de chargement attendu, intensité, orientation de construction-design et densité de remplissage de la pièce imprimée 3D. Cependant, les suivants sont les filaments d'imprimante 3D les plus résistants actuellement disponibles :

1. Nylon Renforcé Fibre de Carbone : Combine l'amélioration de résistance de la fibre de carbone avec la ténacité et durabilité du nylon, le rendant généralement le matériau d'impression 3D le plus résistant.
2. Polycarbonate : Le PC est un filament tenace et durable supportant de hautes températures. Il offre une excellente résistance à l'impact, parmi d'autres propriétés de performance de haut niveau.
3. Polyetherimide (Ultem / PEI) : Un thermoplastique avec excellente résistance, résistance à la chaleur et résistance chimique, l'Ultem est largement utilisé en prototypage de composants aérospatiaux.

Il est important de noter que ces filaments nécessitent souvent des réglages d'imprimante spécialisés et peuvent ne pas être compatibles avec des imprimantes FDM/FFF plus simples. Ils peuvent être considérablement plus difficiles à imprimer, il est donc important de s'entraîner avec ces matériaux haute performance avant de tenter de construire des modèles fonctionnels sous contrainte de temps.