Dossier publié dans le numéro de janvier/février 2023, avec Sylvia Monsheimer (Evonik) et Ralf Anderhofstadt (Daimler Trucks & Buses). Fonctions, déclarations et projets sont ceux de cette période.
Les polymères occupent une place importante en fabrication additive. Dans l’automobile, l’aérospatiale et le médical, certaines applications demandent des matériaux capables de conserver leurs propriétés dans des conditions exigeantes. Le passage à la série dépend du matériau, du procédé et des exigences de chaque pièce.
Soyons clairs : de nombreux exemples ont déjà démontré que des polymères de haute performance traités par FA ont permis la fabrication d’outillages ou d’applications finales. Le fait est que, pour que ces matériaux soient considérés comme un substitut des métaux, pour qu’ils puissent fournir des pièces de grande valeur dans des séries de production à faible quantité, ils doivent répondre à un certain nombre d’exigences.
Ce dossier examine les défis de l’adoption des polymères haute performance en série et les possibilités qu’ils offrent pour l’outillage et les pièces finales.
Plusieurs contributions ont été envisagées, mais Sylvia Monsheimer, responsable de l’impression 3D industrielle et des nouvelles technologies 3D chez Evonik, a été invitée à partager ses idées clés avec Ralf Anderhofstadt, responsable du centre de compétences Fabrication additive, atelier d’impression et médias chez Daimler Trucks & Buses.
Evonik développe notamment des matériaux d’impression 3D sous la marque INFINAM®. Son expérience des formulations polymères apporte ici le point de vue du fournisseur de matière.
Daimler Trucks & Buses apporte celui de l’utilisateur industriel, notamment pour les pièces de rechange. Dans son annonce d’octobre 2022, Daimler indiquait avoir examiné près de 40 000 références pour évaluer leur aptitude à l’impression 3D. Cela ne signifie pas que toutes étaient déjà disponibles en fabrication additive. Le nombre de références étudiées doit aussi être distingué du nombre de pièces effectivement produites et installées.
Anderhofstadt nous a confié qu’ils travaillent actuellement avec de nombreux partenaires et prestataires de services, c’est pourquoi ils testent tous les processus de production additive et vérifient s’ils sont adaptés aux séries. Pour l’instant, ils se concentrent sur la SLS, la MJF et, bien sûr, la FDM, en fonction de l’application.
Comprendre le concept des polymères « haute performance »
Un polymère désigne une structure macromoléculaire. Un plastique est un matériau formulé à partir de polymères et, selon le cas, d’additifs ou de charges. Les deux termes sont proches dans les usages industriels de ce dossier, sans être strictement synonymes.
D’un point de vue technique, les polymères haute performance (HPP) sont un groupe de matériaux qui peuvent conserver leurs propriétés mécaniques, thermiques et chimiques souhaitables lorsqu’ils sont soumis à des environnements difficiles tels que des températures élevées, des pressions élevées et des produits chimiques corrosifs.
La pyramide des polymères situe généralement les matériaux haute performance au-dessus des polymères techniques et courants. Elle constitue un repère de classement, pas une certification de toutes les propriétés d’un matériau ni de son aptitude à une application.
Ces formulations peuvent demander une production et une transformation plus exigeantes, avec un coût supérieur. La complexité de synthèse ou le prix ne garantissent toutefois pas une meilleure performance dans toutes les situations. Il faut comparer les propriétés utiles à la fonction recherchée.
Une faible masse, une tenue chimique adaptée ou des propriétés isolantes peuvent rendre certains polymères intéressants face à des solutions métalliques. Ces avantages dépendent de la formulation, des charges et des conditions d’usage. L’absorption radar ou l’absence de finition ne sont pas des propriétés universelles des polymères.
« Un avantage important réside dans la résistance aux hautes températures, raison pour laquelle ce type de matériaux est également très intéressant pour le secteur automobile. Les propriétés telles que la haute résistance à la traction et la haute résistance aux produits chimiques soulignent bien sûr cet aspect. Par conséquent, les polymères haute performance deviennent de plus en plus une alternative intéressante aux métaux », souligne l’expert de Daimler.
Fait surprenant, les propriétés qui rendent les polymères haute performance utiles sont souvent celles qui les rendent difficiles, voire impossibles à produire à l’aide des machines de FA courantes sans processus à haute température.
« Si nous parlons de production en série – des pièces qui sont produites pour une application finale – nous rencontrerons pas mal de défis : Nous ne devons pas seulement remplacer l’étape de construction d’une pièce, mais des ajustements des étapes du processus de production avant et après la construction d’une pièce doivent être envisagés et prouvés. En d’autres termes, nous devons travailler à l’intégration dans la chaîne de processus qui est principalement axée sur les applications. Et les solutions clés en main ne sont pas disponibles dans leur ensemble. Or, ce point est toujours sous-estimé », affirme d’emblée Monsheimer.
Anderhofstadt est d’accord avec elle puisqu’il insiste sur la nécessité de processus de validation technique et qualitative : « pour les pièces de série, il est bien sûr essentiel d’obtenir 100 % des propriétés de la pièce dans le contexte global afin d’atteindre les normes de qualité. C’est également la base de la reproductibilité, qui est absolument nécessaire pour la production en série. »
Ajoutez à cela la « considération des coûts », et vous faites en sorte que la conversation englobe l’ensemble de la chaîne de fabrication :
« Un autre défi à coup sûr, ce sont les coûts de la solution globale d’impression 3D. La concurrence avec le moulage par injection est imbattable pour un grand nombre de pièces simples. Les technologies de fabrication additive en général offrent des avantages si on peut utiliser la liberté de conception ou si on peut réaliser des assemblages en une seule pièce. Dans ce cas, [il est nécessaire de revoir la conception de la ou des pièces en tenant compte de la FA]. Enfin, il manque encore des matériaux spéciaux pour des applications spéciales. C’est là que nous intervenons en élargissant continuellement notre portefeuille de matériaux d’impression 3D axés sur les applications », ajoute la représentante d’Evonik.
Alors, de quels défis s’agit-il ?
Les difficultés de fabrication concernent à la fois la matière disponible, le comportement thermique et la validation des pièces.
La première chose que nous retiendrons du dernier commentaire de Monsheimer est le nombre limité de polymères à haute performance. Il est intéressant de noter que le processus n’est pas aussi simple que de créer des formes de polymères traditionnels utilisés dans le moulage par injection.
L’adhésion entre couches mérite une attention particulière avec le PEEK. Une délamination est une séparation des couches ; l’anisotropie désigne des propriétés qui varient selon la direction et peut exister même sans séparation visible. Orion présente son système Thermal Radiation Heating comme un moyen d’améliorer l’adhésion en contrôlant l’apport thermique pendant le dépôt. Les travaux évoqués sur des CubeSats illustrent cette approche, sans démontrer à eux seuls l’isotropie complète ni une qualification automatique pour le vol.
Les gradients thermiques, les contraintes résiduelles et la stabilité des températures de transformation influencent la qualité obtenue. Leur maîtrise nécessite de considérer ensemble matériau, machine et paramètres de procédé. Monsheimer souligne à ce titre la collaboration entre fournisseurs de matière et de technologies :
« Un bon matériau est clé ! Cela signifie qu’il faut disposer d’un matériau pouvant être traité en toute sécurité et répondant à tous les besoins des processus d’impression 3D ou de l’application concernée, au meilleur prix. Si ce rapport entre les propriétés du matériau et les coûts est atteint, nous pouvons commencer à travailler sur d’autres défis. »
La géométrie, la rigidité, le fluage et la température de service limitent les substitutions possibles ; aucun polymère ne convient à toutes les structures. Les bijoux en PA12 d’Evonik proposés par Boltenstern illustrent une application des polyamides, mais ne démontrent pas les performances d’un polymère comme le PEEK. Pour l’automobile, Anderhofstadt évoquait lors de l’entretien les travaux suivants :
« Nous procédons actuellement à des tests finaux sur des polymères à haute performance pour des applications de série. Les premières informations à ce sujet seront bientôt annoncées officiellement, car cette gamme est également très intéressante pour nous dans le secteur des camions et des bus.
Nous avons déjà installé plus de 50 000 pièces de série imprimées en 3D dans nos véhicules. Actuellement, l’accent est toujours mis sur le secteur des polymères, mais nous avons déjà mis en œuvre plusieurs applications de série en différents métaux. Outre les supports, divers couvercles et inserts de poignée dans le domaine du métal, les pièces typiques sont également des supports ou divers composants sur le système d’échappement », s’enthousiasme Anderhofstadt.
À l’avenir, et en ce qui concerne l’industrie automobile, Anderhofstadt souligne la nécessité de disposer de polymères à haute performance pour répondre à d’autres exigences :
« Je pense fortement à des propriétés telles que la protection contre le feu et donc le retardement des flammes des matériaux. Et bien sûr, cela doit aussi être en accord avec les objectifs de durabilité. Enfin, pour la production en série, il est essentiel que ces matériaux puissent être utilisés pour une production économique », complète-t-il.
Monsheimer souligne aussi les enjeux environnementaux. La recyclabilité dépend du matériau, des mélanges, de la collecte et des filières disponibles, pour les polymères comme pour les métaux. Une comparaison doit considérer le cycle de vie de la pièce plutôt qu’opposer tous les métaux à tous les plastiques.
« Après le prototypage, les applications constituent le prochain défi pour les matériaux, car ceux-ci doivent désormais être optimisés pour des applications particulières », conclut Monsheimer.
Cet article a initialement paru dans le numéro de janvier/février 2023 de 3D ADEPT Mag.
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