Quel filament d’imprimante 3D est le plus résistant ? Guide expert sur la durabilité et les performances

Les imprimantes de la variété FDM/FFF (Filament Deposition Modeling/Fused Filament Fabrication) construisent des pièces à l'aide de brins de matière première plastique appelés filaments. Le plastique est fondu et extrudé pour construire le modèle 3D. Il existe plusieurs types de filaments pour imprimantes 3D connus pour leur résistance et leur durabilité. Cependant, votre définition du plus résistant dépend de l’application et des exigences spécifiques de la pièce imprimée. 

Il existe deux interprétations fondamentales de la « résistance » qui peuvent s’appliquer au comportement en traction des filaments des imprimantes 3D. Ils dépendent de l'éventuelle sollicitation en traction de la pièce finie. 

Dans un cas, la pièce est chargée dans une direction qui s'aligne avec les filaments. Lorsque tel est le cas, la résistance élevée à la traction du filament brut se traduira également par une bonne résistance à la traction de l’article fini. 

L’autre cas se produit lorsque la pièce est chargée perpendiculairement aux couches de l’impression. À ce stade, le « filament 3D le plus résistant » devient une expression de la force d’adhésion entre les filaments adjacents liés, plutôt que de la force intrinsèque du filament. Cette dernière situation conduit à une définition qui considère la question de la résistance comme « quel filament se lie le plus solidement ». 

Ces deux propriétés de filament (ainsi que d’autres) sont essentielles si vous souhaitez créer des modèles à haute résilience, tolérants à la flexion et résistants à l’abrasion. Vous devez équilibrer les exigences dans la construction finale, en ciblant la résistance à la traction, la résistance à la flexion, la dureté à l'usure, la résistance aux chocs, etc. Chaque type de filament peut donner à vos modèles des avantages différents, mais aucun ne conviendra à toutes les situations. N'oubliez pas non plus que votre imprimante n'accepte pas tous les matériaux de construction possibles et que certains filaments ont plus de contraintes de conception que d'autres. Et quels que soient les types que vous choisissez, les propriétés du produit final dépendront fortement de la qualité de la conception et de la réflexion que vous aurez consacrée aux principes de conception pour la fabrication (DFM).

Cet article examinera plusieurs filaments d’impression 3D considérés comme ayant un équilibre de propriétés et passera en revue certains des concepts que vous devrez garder à l’esprit lors de leur conception. 

Quels sont les types de filaments pour imprimante 3D ?

Les filaments FDM/FFF sont disponibles dans de nombreux matériaux, avec une gamme encore plus large d'additifs qui améliorent des propriétés particulières telles que :la résistance à l'abrasion, la résistance à la traction et la ténacité à la flexion. Vous trouverez ci-dessous les matériaux de base de filament qui sont largement considérés comme offrant la plus grande résistance, ténacité et durabilité dans les modèles imprimés en 3D :

1. Polycarbonate

Les filaments en polycarbonate (PC) produisent des modèles de haute résistance, ténacité et résistance à la chaleur. Dans la direction axiale du filament, celui-ci présente une résistance à la traction de 66 MPa. Ses avantages incluent :une résistance élevée, une tolérance à la température et une clarté optique. D’un autre côté, le PC peut être difficile à imprimer et a une mauvaise tendance à absorber l’humidité. Le PC coûte entre 70 et 200 $ par kg pour un diamètre de 1,75 mm. Pour plus d'informations, consultez notre guide Qu'est-ce que le polycarbonate ?

2. Nylon

Les modèles construits en filaments de nylon sont connus pour leur solidité et leur résistance à l'usure. Le matériau a une résistance à la traction de 50 à 90 MPa selon la qualité. Le nylon est un matériau résistant et peu coûteux. Il peut toutefois être difficile d’imprimer des modèles de qualité et le matériau s’affaiblit considérablement lorsque sa teneur en humidité devient trop faible. Le nylon peut être acheté entre 40 et 100 $ le kg pour un diamètre de 1,75 mm. Pour plus d'informations, consultez notre guide Tout sur le filament d'impression 3D en nylon.

3. TPU

Le polyuréthane thermoplastique (TPU) permet de fabriquer des articles hautement résilients et élastiques qui peuvent résister à des impacts et à l'abrasion importants. Son élasticité inhérente en fait un matériau « résistant » à bien des égards. Le TPU a une résistance à la traction de 50 MPa. Le problème est qu’il peut facilement obstruer les buses de l’imprimante et doit être imprimé lentement. Le TPU coûte entre 30 et 60 $ par kg pour un diamètre de 1,75 mm. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur le polyuréthane thermoplastique, ingénierie (ETPU).

Qu'entend-on par résistance à la traction pour le filament d'une 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 qu'il ne se fracture ou ne subisse un étirement permanent (inélastique et irrécupérable). Les polymères thermoplastiques, tels que ceux utilisés dans l'impression FDM/FFF, ont des limites de charge d'extension élastique. Lorsque la charge est inférieure à la limite élastique du filament, celui-ci reviendra à ses dimensions d'origine une fois cette charge supprimée. Lorsque sa contrainte de charge élastique est dépassée, une déformation ou une fracture permanente se produit.

Qu'entend-on par résistance aux chocs pour le filament d'une imprimante 3D ?

La résilience aux chocs d’un filament d’impression 3D est la mesure de la réaction du filament à un impact soudain ou à une charge de choc. Un matériau solide doit absorber l’énergie de l’impact et se déformer sans se fracturer. Il s'agit d'une propriété importante pour les matériaux utilisés dans les pièces mécaniques, les jouets et les équipements de protection, par exemple.

Il convient de noter que la résilience aux chocs d’un article imprimé en 3D n’est pas uniquement déterminée par le filament autonome. Des facteurs tels que :la direction de construction par rapport à l'impact, la construction/densité du remplissage du treillis « interne » et la fusion des couches de filaments affectent également ses performances. Dans de nombreux cas, ces facteurs seront collectivement plus importants que les caractéristiques d’impact du filament brut. 

Quelles sont les autres mesures de résistance utilisées pour les filaments d'imprimante 3D ?

Les filaments d'imprimante possèdent d'autres propriétés liées à la résistance qui peuvent être essentielles à votre processus de conception. Certaines propriétés de maintien de la résistance doivent également être prises en compte dans cette analyse. Bien qu'il puisse s'agir de propriétés du filament, il est plus utile de les considérer comme des propriétés d'un modèle. , construit à l'aide d'un type de filament . Ces mesures de force sont répertoriées ci-dessous :

1. Résistance à la flexion : Mesure la résistance d'un filament ou d'un modèle à la rupture ou à la distorsion permanente lorsqu'il est soumis à une force de flexion. 
2. Élongation à la rupture : Mesure la capacité d'un filament ou d'un modèle à résister à la rupture sous des charges de traction constantes en subissant une distorsion permanente (inélastique) à mesure que la charge augmente. Lorsqu'une fracture se produit finalement, la déformation plastique sera mesurable de chaque côté de la fracture.
3. Résistance au cisaillement : Mesure la capacité d'un matériau ou d'un modèle à résister à la rupture ou à la déformation sous charge de cisaillement. La résistance au cisaillement du matériau en vrac n’est que légèrement liée à la résistance au cisaillement d’une pièce imprimée. Les situations de charges de cisaillement sont souvent complexes et ne représentent pas un pur cisaillement du matériau. Cela rend les résultats réels des tests beaucoup plus dépendants de l'orientation d'impression, de la conception des pièces et des scénarios de chargement que de la propriété de base du filament.
4. Résistance à la compression : Mesure la capacité d'un filament ou d'un modèle à résister aux forces qui le compriment ou l'écrasent. Ceci se distingue de la propension du modèle à fléchir dans son ensemble sous compression – une situation qui repose plutôt sur la résilience à la flexion. En réalité, la résistance à la compression du filament ne correspondra que très peu à celle d'une impression 3D, à moins que l'impression ne soit solide et extrêmement simple en termes de section. 
5. Résistance à l'abrasion : Mesure la résistance de surface d'un modèle de filament à la rupture par écaillage ou meulage lorsqu'il est abrasé à plusieurs reprises par un matériau de même dureté (ou plus dur).
6. Résistance à la fatigue : Définit la tolérance du matériau envers les charges cycliques qui approchent de ses limites physiques. Le taux de déformation, le temps de récupération et le nombre total de cycles pour une telle charge peuvent tous affecter négativement le matériau. Cela peut dépendre de la direction de construction et d’autres paramètres de construction, ainsi que des propriétés clés du matériau lui-même. 
7. Résistance à la déchirure : Mesure la capacité d'un filament et du modèle à résister à la déchirure. Cela dépendra des paramètres d'impression lorsque la déchirure se fera le long des plans de couche. Ce n’est que lorsque la déchirure se produit dans la direction axiale du filament que cette résistance repose entièrement sur les propriétés intrinsèques du matériau. La déchirure et le cisaillement sont des modes étroitement liés.
8. Résistance à la chaleur : Définit la capacité d'un modèle à conserver ses autres propriétés lorsque les températures augmentent. Si le polymère a une température de transition vitreuse élevée, il tolérera des températures d'utilisation plus élevées avant de s'affaiblir.
9. Résistance au fluage : Définit la capacité d'un modèle à conserver sa stabilité dimensionnelle sous une charge constante qui se poursuit sur des périodes prolongées.
10. Résistance chimique : Définit la capacité d’un matériau à conserver ses propriétés lorsqu’il est exposé à des produits chimiques agressifs tels que des solvants, des acides et des bases, ou à des conditions telles que l’exposition aux UV. 

Certains des paramètres ci-dessus s’alignent étroitement sur les propriétés de base du matériau du filament tandis que d’autres dépendent extrêmement de la conception et de la configuration de l’article imprimé. 

Qu'est-ce qu'un filament pour imprimantes 3D ?

Le filament d'imprimante 3D est la matière première polymère qui est introduite dans l'extrudeuse de l'imprimante et fondue pour la construction de modèles imprimés. Cette matière première peut être l'un quelconque d'une gamme de polymères et peut contenir d'autres additifs qui modifient les propriétés du polymère. La matière première de filament est livrée sur des rouleaux prêts à installer qui alimentent l'extrudeuse en matériau à partir d'une position fixe, via un guide. Le filament est saisi par un mécanisme d'alimentation composé d'engrenages ou de roues de pincement qui le tirent de la bobine et le poussent à travers la buse chauffée de l'extrudeuse si nécessaire.

Qu'est-ce qu'un polymère haute performance ?

Les polymères hautes performances se différencient des matériaux plus ordinaires par un certain nombre de caractéristiques matérielles possibles. Les matériaux hautes performances 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 que les propriétés ne commencent à se dégrader
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 qui incluent des additifs dans le polymère du filament de base. Des additifs tels que la fibre de bois, les poudres métalliques, la fibre de carbone ou de Kevlar® et de nombreux autres matériaux sont utilisés pour améliorer les propriétés particulières des polymères d'impression basiques et hautes performances. Les composites sont destinés à améliorer les propriétés ou la fonctionnalité par rapport à celles des polymères purs. 

Les fibres de bois aux sections rondes et aux surfaces lisses améliorent la résistance, la rigidité et la densité des pièces imprimées. Les filaments chargés de Kevlar®, de fibre de carbone ou de graphène ont tendance à avoir une résistance, une ténacité et une rigidité supérieures. Dans des proportions suffisamment importantes, le graphène peut même rendre le matériau conducteur de l’électricité. Les filaments contenant des poudres de bronze, de cuivre et d'acier inoxydable n'offrent pas une résistance accrue mais peuvent créer une apparence métallique. Les filaments composites vous permettent de modifier une ou plusieurs propriétés des pièces imprimées en 3D, mais il existe des problèmes d'impression qui peuvent rendre ces matériaux difficiles à utiliser dans des machines plus simples.

Quel est le filament d'imprimante 3D le plus résistant que je puisse choisir ?

Le filament d'imprimante 3D le plus résistant dépendra de détails tels que :le type de chargement attendu, l'intensité de chargement, l'orientation conception-construction et la densité de remplissage de la pièce imprimée en 3D. Cependant, voici les filaments d'imprimante 3D les plus résistants actuellement disponibles :

1. Nylon renforcé de fibres de carbone : Cela combine l'amélioration de la résistance des additifs en fibre de carbone avec la ténacité et la durabilité du nylon, ce qui en fait généralement le matériau d'impression 3D le plus résistant.
2. Polycarbonate : Le PC est un filament résistant et durable qui peut résister à des températures élevées. Il offre une excellente résistance aux chocs, entre autres propriétés de performance de haut niveau.
3. Polyétherimide (Ultem / PEI) : Thermoplastique doté d'excellentes propriétés de solidité, de résistance à la chaleur et de résistance chimique, l'Ultem est largement utilisé dans le prototypage de composants aérospatiaux.

Il est important de noter que ces filaments nécessiteront souvent des paramètres d'imprimante spécialisés et pourraient ne pas être compatibles avec les imprimantes FDM/FFF plus simples. Ils peuvent être considérablement plus difficiles à imprimer. Il est donc important de s'entraîner avec ces matériaux hautes performances avant de tenter de créer des modèles fonctionnels sous des contraintes de temps.