Elastomères dans la fabrication additive : principales caractéristiques, applications, attentes du marché

Les élastomères sont des matériaux qui font partie de la grande famille des polymères. De manière générale, ils désignent les caoutchoucs, c’est-à-dire les substances macromoléculaires, naturelles ou synthétiques possédant l’élasticité retrouvée dans le caoutchouc. On les retrouve dans bon nombre d’objets quotidiens. Ils sont d’ailleurs massivement utilisés dans l’industrie, notamment dans l’automobile, l’aéronautique, les transports, l’industrie électrique, ou encore la médecine ; des secteurs qui exploitent la fabrication additive, d’où notre intérêt pour ces matériaux.

Les élastomères sont utilisés « formulés », c’est-à-dire renforcés par l’ajout d’autres matériaux tels que les métaux, les textiles, et certaines matières plastiques. Aussi, une pièce fabriquée avec le matériau élastomère d’une entreprise A n’aura pas nécessairement le même rendu qu’une pièce fabriquée avec le matériau élastomère d’une entreprise B. On comprend donc pourquoi, pour des raisons de propriété intellectuelle, certaines entreprises ne révèlent pas la composition chimique de leur matériau.

Caractéristiques générales des élastomères

Les élastomères sont uniques en leur genre et ont des caractéristiques différentes des matières plastiques ou plastomères, autres matériaux de la grande famille des polymères.

De manière générale, on retiendra que les matériaux élastomères qui sont reconnus mécaniquement comme un caoutchouc sont :

  • Souples, en d’autres termes de faible rigidité ;
  • Déformables. Avec une forme qui s’altère, les pièces fabriquées à base de ce matériau peuvent supporter de très grandes déformations sans se rompre ou atteindre des allongements « rupture » ;
  • Élastiques. Les pièces retrouvent ainsi leur géométrie initiale lorsqu’elles ne sont plus sollicitées. De plus, l’énergie qui a été fournie pour déformer la pièce est ensuite redistribuée de manière quantitative au milieu de celle-ci. 

Dans l’industrie de la fabrication additive de manière générale, il existe pour le moment une gamme limitée d’élastomères compatibles avec les imprimantes 3D. En effet, du fait des contraintes propres aux imprimantes 3D (indice de fusion viscosité, etc.), bon nombre de matériaux ont des formulations qui répondent le mieux aux procédés de fabrication traditionnelle. 

Elastomères propres à la fabrication additive

Moulinet ULTRAFUSE TPU avec semelle de chaussure haute – image via BASF

On entend généralement parler de 4 matériaux utilisés dans la grande famille de polymères, précisément lorsqu’on parle d’élastomères : le TPU, le PLA souple et le PE flexible pour les thermoplastiques, et les photo-élastomères de type acrylique.

Bien entendu, en fonction des secteurs d’activité et des régions, les acteurs du marché observeront une plus grande utilisation de l’un ou l’autre matériau. On le note d’ailleurs dans les réponses d’Albert de Boer, ingénieur en fabrication additive à Innofil3D – une société acquise par BASF – et Franco Cevolini, VP & CTO de CRP Technology.

Pour Albert de Boer : « un élastomère est d’abord beaucoup plus souple que les polymères thermoplastiques rigides plus couramment utilisés comme le PLA par exemple. Les principaux polymères élastomères qui, je pense, sont le plus utilisés en FA, sont les matériaux TPU (polyuréthane thermoplastique) avec différentes qualités de shore. Ils sont composés de segments durs et mous pour contrôler la dureté Shore. »

Franco Cevolini affirme quant à lui que « les principaux élastomères utilisés sur le marché de la FA sont les TPE et les TPU. Les TPE sont les élastomères thermoplastiques et TPU les polyuréthanes thermoplastiques. L’élastomère de CRP Technology est Windform® RL et fait partie de la famille des TPE. C’est un polymère dont je ne peux révéler la composition chimique. »

De ces 2 personnes ressources, on retient que les TPU et les TPE sont les élastomères les plus utilisées sur le marché de la fabrication additive. Comme affirmé plus haut, l’utilisation fortement remarquée d’un matériau élastomère par rapport à un autre peut aussi dépendre de la région ou du secteur d’activité dans lequel une entreprise opère, et souvent considéré comme prisme d’analyse par son porte-parole.

Dans ce cas-ci par exemple, mentionnons pour ceux qui ne le savent pas, qu’Innofil3D est un producteur de matériaux – filaments dédiées au technologies FDM/FFF – récemment devenue une société de BASF. Basé au Pays-Bas, Innofil3D fournit ses filaments dans toute l’Europe.

CRP Technology est une société de CRP Group, un groupe industriel qui fournit des services d’usinage, principalement dans le secteur du sport automobile et dans la fabrication de composants pour voitures de course F1. En créant CRP Technology, le groupe s’ouvre aux solutions de prototypage rapide et de fabrication additive afin de mieux servir ses secteurs de prédilection.

Quel élastomère pour quelle technologie de FA ?

Object imprimé en 3D en TPU 80A LF – image; BASF

De manière générale, l’utilisation des élastomères en fabrication additive est généralement associée aux technologies FDM ou FFF. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle, Innofil3D affirme que ce sont des matériaux propres à ces technologies.

On découvre avec CRP Technology qu’on peut envisager l’utilisation de plusieurs types de technologies de FA avec ces matériaux notamment la technologie SLS. Toutefois, s’il reconnaît l’utilisation de technologies moins coûteuses [ex. FDM] pour les besoins de prototypage, de manière générale, le CTO a une préférence pour la technologie SLS qui fait ressortir davantage de bénéfices sur la pièce fabriquée.

Notons tout de même qu’au-delà des besoins de prototypage, certains fabricants ont réussi à développer des matériaux élastomères qu’on peut exploiter dans l’industrie.

C’est le cas de Stratasys qui a lancé des matériaux élastomères pour ses technologies FDM & Polyjet. Sur ce marché de niche, la solution élastomère du fabricant israélien fournit aux fabricants un niveau remarquable d’élasticité et de durabilité avec un véritable support soluble. Utilisés dans sa technologie Polyjet, ces matériaux offrent un réalisme avancé de la pièce imprimée.

« La création de pièces en élastomère à l’aide de moules traditionnels en silicone ou de moules CNC est extrêmement coûteuse et prend beaucoup de temps. Nous pensons que les autres techniques additives ne permettent tout simplement pas de fabriquer des pièces avec la taille et la complexité de notre solution élastomère »Zehavit Reisin, vice-président et responsable des solutions et des matériaux chez Stratasys

 Spécifications techniques et cas d’applications des élastomères dans la FA

Sièce imprimé en 3D en matériau élastomère et technologie SLS – image : CRP Technology

Les spécifications techniques de matériaux élastomères varient d’un fabricant à un autre. En présentant une description comparative d’un matériau d’Innofil3D et de CRP Technology, on remarque de manière générale que les caractéristiques fondamentales mentionnées plus haut ne reviennent pas toutes nécessairement dans la formulation chimique de chaque matériau TPU :  

Albert de Boer mentionne par exemple l’Ultrafuse TPU 85A, un matériau TPU reconnu pour sa grande résilience. Disponible dans sa couleur blanche naturelle, c’est un matériau résistant à l’usure ; il a une bonne flexibilité à basse température et un bon comportement à l’amortissement.

 « Ses propriétés chimiques (la résistance à des agents chimiques particuliers) et la tolérance pour les solvants peuvent être rendues disponibles, si ces facteurs sont pertinents pour une application spécifique » ajoute l’ingénieur d’Innofil3D qui ne peut révéler la composition chimique de leur matériau.

Franco Cevolini quant à lui présente Windform® RL (“RL” signifie rubber like), le premier matériau élastomère thermoplastique de la famille Windform® TOP-LINE de matériaux composites haute performance.

« Comme tous les matériaux Windform® TOP-LINE, il est destiné à la technologie de frittage laser. Windform® RL présente une excellente durabilité et stabilité. Les élastomères perdent leurs propriétés avec le temps mais ce n’est pas le cas de Windform® RL qui résiste aux produits chimiques et à la chaleur et combine une résistance supérieure à la déchirure et à l’éclatement. Windform® RL résiste aux flexions et déformations répétées. Il est également résistant aux UV. Étant un matériau TPE et grâce à ses principales propriétés, il assure un pouvoir d’étanchéité élevé et performant.

Comme il s’agit d’un matériau TPE et grâce à ses principales propriétés, Windform® RL est scellé pour assurer un pouvoir d’étanchéité élevé.

Voici quelques propriétés mécaniques de Windform® RL : résistance à la traction : 5,2 Mpa (valeur frittée) 5,0 Mpa (valeur après infiltration Windform® RL Seal). Module de traction : 20,0 Mpa (valeur frittée) 20,3 Mpa (valeur après infiltration Windform® RL Seal). Allongement à la rupture : 397,1 % (valeur frittée) 383,6 % (valeur après infiltration Windform® RL Seal). Dureté Shore A : 84,8 (valeur frittée) 83,0 (valeur après infiltration Windform® RL Seal). » 

CRP Technology a notamment fabriqué le siège de moto Energica en utilisant ce matériau dans le processus de fabrication additive. Une nouvelle entrée d’air avant imprimée 3D a été réalisée avec des matériaux haute performance Windform®.

Ainsi, il est évident que les pièces imprimées en 3D avec le matériau d’Innofil3D et le matériau de CRP Technology n’auront pas les mêmes propriétés techniques.

Les attentes du marché

De manière générale, « les élastomères thermoplastiques (TPE), sont des polymères en plein développement en raison de leur capacité à être mis en œuvre par les nombreuses techniques de transformation des thermoplastiques et à présenter les propriétés de souplesse des caoutchoucs pour un faible coût de production. Ces avantages par rapport aux caoutchoucs classiques les rendent très concurrentiels dans toutes les applications n’exigeant pas une élasticité élevée ou une grande résistance à la chaleur », expliquent 2 chercheurs de Paris-Sorbonne et de l’Ecole supérieure de l’industrie du caoutchouc.

 Dans la fabrication additive précisément, on fait face à une situation similaire rencontrée avec les autres matériaux polymères : le manque de matériaux capables de s’adapter à différentes technologies. Jusqu’ici le marché reconnaît spontanément la compatibilité des élastomères avec la technologie FDM. Stratasys et CRP Technology sont quelques rares spécialistes qui présentent des applications différentes de la FA avec les matériaux élastomères. Si d’autres applications sont possibles avec d’autres technologies, force est de constater qu’elles ne sont pas encore assez vulgarisées.

D’un point de vue technique, on reste d’accord sur un fait : tant que les élastomères garantissent des performances élevées, plus le marché sera en expansion, plus on explorera des applications pour la production en série.

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