Dossier publié initialement dans le numéro de mars–avril 2020 de 3D ADEPT MAG, puis mis en ligne en juillet 2021. Les entretiens décrivent les travaux et les attentes de cette période ; les précisions techniques évitent de généraliser leurs résultats.
L’étude de Geyer, Jambeck et Law publiée en 2017 estimait à 8,3 milliards de tonnes la production mondiale cumulée de plastiques vierges jusqu’en 2015. Sur les 6,3 milliards de tonnes de déchets générés, environ 9 % avaient été recyclés. L’impression 3D peut utiliser certaines matières recyclées, mais son bénéfice environnemental dépend du procédé, de l’énergie, des pertes et de la durée de vie des produits.
Quelle est la particularité des matériaux recyclés pour l’impression 3D ? Quelles sont les différences entre les matériaux recyclés et non recyclés pour l’impression 3D ? En parlant de matériaux plastiques, tous les types de plastique peuvent-ils être recyclés pour l’impression 3D ? Ou existe-t-il un type de plastique spécifique qui peut être recyclé ? Le filament recyclé et imprimé peut-il être recyclé à nouveau ? Qu’en est-il de la qualité et des caractéristiques de ces filaments par rapport aux filaments non recyclés ? Les matériaux recyclables présentent-ils des avantages pour la production de masse utilisant la FA ?
L’objectif est d’identifier les points à vérifier avant d’intégrer ces matières à une production répétable : origine du déchet, formulation, stabilité du filament et propriétés de la pièce.
Pour ce dossier de 2020, Mogens Hinge, professeur associé à l’Université d’Aarhus au Danemark, présente les enjeux de caractérisation des plastiques recyclés pour la FA.
Matériaux recyclés VS non recyclés pour l’impression 3D
Selon Hinge, en termes d’utilisation, outre le fait que le matériau est recyclé, il n’y a pas une grande différence entre les matériaux recyclés et non recyclés pour l’impression 3D. Cependant, des doutes subsistent quant aux propriétés qu’ils sont censés offrir.
Le recyclage ne garantit ni les mêmes propriétés que la matière vierge, ni une baisse systématique de qualité. Tri, contamination, historique thermique, formulation et extrusion doivent être maîtrisés. Un calcul de coût doit aussi intégrer le matériel, l’énergie, le temps et les rebuts ; le chiffre de 80 % d’économie ne peut pas être généralisé sans protocole identifié.
Lorsqu’on l’interroge sur la qualité et les caractéristiques des matériaux recyclés pour l’impression 3D et des matériaux non recyclés, le professeur associé de l’université d’Aarhus (Danemark) explique : « il y a tellement de filaments non documentés, bons et mauvais, sur le marché aujourd’hui. Dans la plupart des cas, on ne connaît que le type de matériau (par exemple PLA, ABS, PETG) et l’épaisseur (1,75 ou 3 mm Ø). Dans quelques rares cas, des températures d’impression et de plateau sont également indiquées (souvent génériques). Ainsi, aucune qualité ou caractéristique n’est fournie pour le filament d’impression 3D aujourd’hui, pourquoi cela devrait-il être différent pour les matériaux recyclés ? C’est un état d’esprit commun auquel nous sommes confrontés en permanence : maintenant qu’il est recyclé, nous avons besoin de documentation. La plupart des consommateurs n’ont jamais regardé la documentation et la plupart des cas ne l’ont pas du tout. Ainsi, quelles sont les connaissances, par exemple en matière de Tg et d’indice de fluidité à chaud pour un matériau d’impression 3D recyclé, qui seront comparées à celles des [matériaux non recyclés] ? Si vous posez la question, est-ce que cela s’imprime – Oui à une très haute qualité, un bon pontage, peu de filaments parasites, un faible suintement, une bonne adhérence au lit, etc. »
Ce constat de l’intervenant porte sur les filaments qu’il rencontrait alors ; il ne signifie pas qu’aucun fabricant ne fournissait de fiche technique.
Les fabricants peuvent employer différentes méthodes de préparation et de formulation. Leur caractère propriétaire ne suffit pas à établir qu’elles sont brevetées, ni à garantir les propriétés de chaque lot.
Reflow fournit notamment des filaments recyclés. Le pavillon Deciduous de MEAN (2019) en donne un exemple : il associe des éléments en PETG imprimés avec du filament Reflow, une base en béton imprimé et un plancher en contreplaqué usiné. Le contreplaqué n’a pas été imprimé en 3D. Ce projet ne documente pas un recyclage chimique en monomères chez Reflow.
Quel type de matériau peut être recyclé pour l’impression 3D ?
« En théorie, tous les plastiques peuvent être recyclés, mais il existe des types de plastique (par exemple le PVC) qui se dégradent fortement lors du traitement et qui seraient donc moins adaptés au recyclage. Il est clair que certains types de plastique ne se prêtent pas au recyclage, car tous les plastiques ne sont pas adaptés à l’impression 3D », a déclaré M. Hinge.
Il faut distinguer la possibilité de valoriser un déchet et son aptitude à redevenir un filament. Les thermodurcissables ne se refondent pas comme les thermoplastiques, et un flux mélangé ou contaminé ne devient pas automatiquement imprimable.
Le recyclage du PLA pour l’impression 3D a été étudié avant 2020. Sa biodégradabilité dans certaines conditions ne l’interdit pas : humidité, dégradation des chaînes et cycles thermiques peuvent toutefois modifier ses propriétés et son imprimabilité.
L’étude EcoPrinting de 2017 a également transformé de l’ABS entièrement recyclé en filament et imprimé des éprouvettes. Les propriétés et réglages ont changé après recyclage. L’ABS n’est pas intrinsèquement ignifuge : ce comportement dépend d’une formulation et d’une qualification adaptées.
Pour éviter les déchets plastiques, des chercheurs et des entreprises ont étudié quels types de matériaux peuvent être recyclés pour l’impression 3D. L’objectif est d’éviter les déchets de plastique tout en développant un filament qui peut permettre de nombreuses applications d’impression 3D.
Le projet annoncé par l’Université d’Aarhus le 13 janvier 2020, avec Aage Vestergaard Larsen A/S, visait précisément un filament recyclé de qualité stable et documentée.
En parlant de la situation au Danemark, Gitte Buk Larsen, responsable du développement commercial et du marketing chez Aage Vestergaard Larsen A/S, a déclaré que trois raisons expliquent la raison d’être de ce projet : « premièrement, il n’a pas encore été possible de produire des filaments à partir de plastique recyclé à 100%. Deuxièmement, personne n’a encore déchiffré le code de production de filaments sur la base d’une fiche technique afin de garantir une qualité uniforme. Et troisièmement, il n’y a actuellement aucun producteur de filaments au Danemark ».
Cette déclaration exprime l’objectif industriel du projet dans son contexte de janvier 2020. Elle ne doit pas être interprétée comme l’absence mondiale de tout filament entièrement recyclé : des essais d’ABS recyclé avaient déjà été publiés en 2017.
Le PETG constitue une autre option, illustrée par le projet Deciduous. Ses propriétés doivent être évaluées à partir de la formulation et de la fiche matière du fournisseur, plutôt que supposées identiques à celles du PLA ou de l’ABS.
Le PEF biosourcé relève d’un travail distinct : Kucherov et ses coauteurs ont publié en 2017 des essais d’impression et de recyclage successifs. Cette étude n’établit pas que Reflow développait ce matériau. « Biosourcé » décrit l’origine de la matière ; cela ne démontre ni une biodégradabilité supérieure au PLA, ni un bilan carbone nul pour toute application.
Le filament recyclé et imprimé peut-il être recyclé à nouveau ?
Si le filament imprimé d’origine n’était pas un matériau recyclé au départ, cette question aurait eu une double réponse : Oui et Non. En effet, selon Trinota, une société d’impression 3D médicale, pour savoir si un matériau est recyclable, il faut se demander “s’il y aura un utilisateur final du matériau recyclé”. Si quelqu’un est prêt à acheter le produit final, alors le matériau est recyclable – en général, tout matériau est recyclable, à condition que quelqu’un soit prêt à payer pour l’obtenir ».
L’existence d’un acheteur constitue une condition économique, pas une preuve de faisabilité technique ni de bénéfice environnemental. La collecte, le tri et le contrôle des propriétés restent nécessaires.
Dans le cas où le filament recyclé est déjà utilisé, il devient difficile de répondre à la question. « Nous ne savons pas. On sait que tous les plastiques se dégradent (à des degrés divers) au cours du traitement (le recyclage comprend normalement le broyage, l’extrusion et parfois la composition des matériaux ). Ainsi, le recyclage des plastiques (lorsqu’il sera mis en œuvre) devra relever le défi des matériaux de 4e, 5e, 6e, etc. génération qui seraient en quelque sorte dégradés. Dans certains cas, il n’est pas réaliste d’atteindre la 4e génération et dans d’autres cas, il n’y a pas de problème du tout. Cela dépend fortement du type de plastique et des stabilisateurs ajoutés (additifs). Cela doit être étudié plus en détail », a déclaré M. Hinge.
Des avantages spécifiques pour la production de masse ?
Dès le début de cet article, l’objectif a été clairement défini : explorer si les matériaux d’impression 3D recyclés peuvent être une option viable dans l’utilisation de l’impression 3D comme outil de production de masse.
Les entretiens mettent surtout en évidence le besoin de données comparables : composition, taux de matière recyclée, diamètre du filament, comportement à l’écoulement et performances mécaniques des pièces.
Le passage à la série dépend de la répétabilité entre lots, de la traçabilité et des exigences de l’application. Ces exemples de 2020 montrent des pistes de travail ; ils ne permettent pas d’attribuer à tous les matériaux recyclés un même niveau de maturité ou de performance.
Ce dossier a été initialement publié dans le numéro de mars–avril 2020 de 3D ADEPT MAG.
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