Matériaux recyclés pour l’impression 3D : est-ce possible de combler efficacement le fossé entre les déchets plastiques et la fabrication additive ?

Une équipe de chercheurs de l’université de Californie (Santa Barbara) a récemment découvert que plus de 9 milliards de tonnes de plastique ont été fabriquées depuis les années 1950, et que la grande majorité d’entre elles ont été jetées à la poubelle. Les plastiques sont utilisés partout, y compris dans l’industrie de l’impression 3D. La logique voudrait donc que, cette technologie étant considérée comme un processus de fabrication durable, elle permette de réduire les déchets, notamment au niveau des matériaux, d’où l’utilisation croissante de matériaux recyclés comme alternative. Le petit bémol est que cette alternative soulève plusieurs questions concernant sa viabilité et son utilisation efficace pour tirer parti de la FA en tant qu’outil de production de masse ou de production en série.   

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 ?

En répondant à ces questions, nous voulons donner aux industriels qui tirent parti de l’impression 3D, des indications clés qui les aideront à déterminer s’ils peuvent ou non envisager l’utilisation de matériaux recyclés dans leurs flux de production en série ou en masse.

Mogens Hinge, professeur associé au département d’ingénierie – ingénierie des plastiques et des polymères de l’université d’Aarhus (Danemark) se joindra à nous pour cette discussion. Avec son équipe, ils effectuent en ce moment un projet de recherche qui consiste à transformer des déchets plastiques recyclés en un produit filamentaire standardisé pour l’industrie de 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.

En effet, qu’ils soient broyés, fondus ou extrudés, les filaments qui ont été recyclés et imprimés en 3D devraient avoir les mêmes propriétés matérielles que les autres formes de filaments. Pour les « makers », produire son propre filament à domicile pourrait être rentable s’ils le font correctement, car ils pourraient économiser jusqu’à 80% sur les coûts du consommable. Toutefois, cela les amène à souvent sacrifier la qualité, et ils se retrouvent souvent avec une qualité de plastique inférieure, qui n’intègre pas toujours les propriétés du matériau souhaité.

Pavillon imprimé en 3D à partir de contreplaqué – Photos: NAARO / MEAN

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, il y a également une impression et des températures de lit (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, un minimum de ficelle, un faible suintement, une bonne adhérence au lit, etc. »

D’autre part, les producteurs de matériaux ou les chercheurs qui tirent souvent parti d’une expertise plus technique développent des solutions brevetées pour produire des filaments recyclés qui répondent aux propriétés de production souhaitées.

Reflow, par exemple, est une société néerlandaise qui développe une approche pour recycler le plastique mis au rebut en une gamme de matériaux durables pour l’impression 3D. La société utilise le « recyclage des monomères » pour décomposer chimiquement les plastiques, éliminant ainsi le problème de la dégradation des performances des filaments recyclés.

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. 

Prenons par exemple les deux filaments les plus couramment utilisés dans l’industrie de l’impression 3D : PLA & ABS. Bien qu’il soit facile à imprimer, il est difficile de transformer un matériau plastique en PLA recyclé pour l’impression 3D car le PLA est un thermoplastique biodégradable.

L’ABS, en revanche, est reconnu pour ses propriétés électriques et sa capacité de retardement des flammes. Sa résistance à la chaleur et aux produits chimiques en fait une solution appropriée pour de nombreuses applications. Toutefois, les études n’ont pas encore permis de déterminer si ce type de plastique peut être recyclé pour l’impression 3D.

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.

Dans cette optique, Hinge collabore actuellement avec la plus grande entreprise de recyclage du plastique en Scandinavie, Aage Vestergaard Larsen A/S, dans le cadre d’un nouveau projet de recherche et développement. Le projet consiste à développer un filament d’impression 3D standardisé et documentable de qualité élevée et stable à partir de plastiques recyclés.

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 ».

Elle n’a pas révélé sa méthode de recyclage, mais la société néerlandaise Reflow a décidé de miser sur le PETG pour le recyclage, un matériau qui gagne du terrain dans l’industrie et qui combine la fonctionnalité de l’ABS et la facilité d’impression du PLA.

En outre, elle développe également un filament à base de polyéthylène furanoate (PEF), un plastique “bio”. Des chercheurs basés en Russie ont développé et testé ce matériau à l’aide d’une imprimante 3D Ultimaker 2. Bien qu’il ne soit pas encore disponible dans le monde entier, le PEF intègre des caractéristiques thermiques et mécaniques souhaitables et démontre son efficacité car il est biodégradable à un degré plus élevé que le PLA.

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 ».

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.

Le sujet a permis de sensibiliser aux méthodes utilisées par la communauté de l’impression 3D pour réduire les déchets plastiques dans l’environnement. Il montre également un manque crucial de documentation sur le sujet malgré le petit nombre d’entreprises qui abordent cette question sur le marché. De plus, il montre une petite palette de matériaux recyclés disponibles pour des productions en série en tirant parti de l’impression 3D.

Bien que ces actions soient louables, les applications de matériaux recyclés pour l’industrie de l’impression 3D montrent une utilisation prédominante de ces filaments dans les projets de bricolage des makers.  Bien que le sujet soit d’une importance capitale, un certain nombre de solutions doivent encore être déterminées pour faire de l’utilisation de matériaux recyclés pour l’impression 3D une alternative viable pour la production de masse ou les flux de production en série.

Ce dossier a été publié initialement dans le numéro d’avril 2020.