Entretien initialement publié dans le numéro de mars/avril 2022 de 3D ADEPT Mag, réalisé en collaboration avec Evonik. Les fonctions, produits et perspectives cités se rapportent à cette période.
Le temps que j’ai déjà passé dans cette industrie m’a fait comprendre que la puissance d’un procédé de fabrication additive réside dans sa capacité à transformer un matériau. C’est en tout cas ce qui est généralement démontré dans presque toutes les applications mises en avant dans les différentes industries. Aujourd’hui, avec la popularité croissante de l’impression 3D pour la fabrication de toutes sortes d’articles, les producteurs de matériaux ont beaucoup de travail à faire car ils doivent faire face aux nouvelles tendances de l’industrie, à la qualification et à la certification. Nous avons rencontré le Dr Dominic Stoerkle, responsable de l’innovation dans le domaine de la croissance de la fabrication additive chez Evonik, pour discuter du développement des matériaux en fonction de ces enjeux et de leur interaction avec les applications de l’impression 3D automobile.
Plus la FA est sollicitée pour favoriser l’industrie 4.0, plus elle soulève des débats sur la façon dont les produits sont fabriqués. Dans notre industrie encore en pleine maturation, la technologie est de plus en plus porteuse de promesses d’avantages écologiques.
La fabrication additive peut faciliter la production locale, réduire certaines pertes de matière ou permettre des géométries nouvelles. Ces bénéfices dépendent toutefois du matériau, du procédé, de l’énergie consommée et du post-traitement. L’usinage peut rester nécessaire ; la provenance locale des matières premières n’est pas automatique.
Le fait est que ces avantages semblent être la voie idéale pour ceux qui fabriquent localement des produits destinés aux utilisateurs finaux. Au niveau industriel, nous sommes encore loin d’un monde idéal étant donné les différents éléments à prendre en compte. C’est en tout cas ce sur quoi le Dr Dominic Stoerkle d’Evonik attire notre attention :
« La durabilité est l’élément central pour réussir à l’avenir. Outre d’autres facteurs, tels que l’efficacité de la production ou la réutilisation des matériaux, les matières premières durables constituent également un élément important pour la fabrication additive, qui est en passe de devenir une technologie de production à l’échelle industrielle. Cependant, il est important de considérer les matières premières durables sous différents angles. Nous sélectionnons les matières premières sur la base d’une analyse complète du cycle de vie prenant en compte les réductions de dioxyde de carbone ainsi que d’autres facteurs importants tels que la consommation d’eau et l’utilisation des sols. Chez Evonik, nous suivons l’approche eCO-line : Nous travaillons avec nos chaînes de valeur pour remplacer les matières premières fossiles par des matières premières renouvelables et circulaires, comme les pneus en fin de vie, et nous utilisons des énergies renouvelables pour la production. De cette façon, l’écobilan global de nos produits peut être amélioré de manière significative le long de procédures certifiées en externe sans modifier les profils de propriétés des matériaux. »
Evonik développe des matériaux de fabrication additive sous la marque INFINAM® et investit aussi dans le secteur par l’intermédiaire de son activité de capital-risque.
Cet entretien porte sur les matériaux polymères, leurs applications automobiles et les développements envisagés par Evonik en 2022.
Les plastiques imprimés en 3D peuvent servir au prototypage, à l’outillage, à la personnalisation et à certaines pièces finales. Coût, délai et propriétés doivent être évalués pour chaque application.
Parmi les familles de procédés figurent le frittage sélectif par laser (SLS), le dépôt de filaments fondus (FDM) et la photopolymérisation de résines.
Pourquoi s’intéresser aux matériaux plastiques pour les applications automobiles ?
Les composants automobiles peuvent être soumis à des charges mécaniques, à la chaleur et à des agents chimiques. Certains polymères peuvent répondre à ces exigences tout en réduisant la masse ; leur aptitude dépend de la pièce et des conditions de service.
Les polymères offrent une liberté de conception utile aux véhicules. Leur recyclabilité dépend toutefois de leur composition, de la collecte, du tri et des filières disponibles. Un taux de recyclage portant sur le véhicule entier ne permet pas de déduire celui de ses pièces polymères imprimées en 3D.
Stoerkle présente ci-dessous l’offre et l’expérience d’Evonik pour ces différentes technologies.
« Nos matériaux polymères sont utilisés dans la fabrication additive depuis plus de 25 ans ; nous offrons à la fois la plus large gamme de technologies pour produire des poudres et une très large gamme de plateformes chimiques pour concevoir des photopolymères », souligne le représentant de la société.
L’entreprise explique que ses poudres de polyamide 12, qui ont fait leurs preuves, sont bien adaptées à la production fiable et reproductible d’un grand nombre de pièces en plastique. « Avec le polyamide 613, un matériau en poudre rigide et ductile avec une température de déflexion thermique plus élevée, nous proposons un polymère alternatif optimisé pour tous les défis des applications automobiles – avec une aussi bonne aptitude au traitement dans les imprimantes à fusion à lit de poudre que notre polyamide 12. Pour les applications qui exigent une résistance aux températures élevées et aux produits chimiques, notre filament PEEK pour la technologie FDM est le matériau de choix. En ce qui concerne nos produits photopolymères, je tiens à mentionner la résine haute résistance INFINAM® ST 6100 L, qui ressemble à du nylon chargé de verre, et INFINAM® RG 3101 L, un matériau semblable à l’ABS. Tous deux présentent des performances thermomécaniques durables et peuvent être utilisés à plus de 70°C, le matériau ST à plus de 120°C, ce qui est obligatoire pour les applications automobiles. En outre, nous avons lancé INFINAM® FL 6300 L en collaboration avec la société autrichienne Cubicure, un photopolymère élastomère à base de polyester présentant une durabilité et un comportement à la fatigue inédits », note Stoerkle.
Les températures indiquées dans cette déclaration sont des valeurs avancées par le fournisseur. Elles ne constituent pas une exigence unique pour toutes les pièces automobiles : charge, durée d’exposition, vieillissement et méthode d’essai doivent être précisés pour la qualification d’une application. Evonik avait présenté RG 3101 L et FL 6300 L dans son annonce de 2021.
En ce qui concerne les applications que ces matériaux peuvent susciter, le responsable du domaine de croissance de l’innovation en matière de fabrication additive explique que la variété des applications dépend directement des propriétés des matériaux mentionnés. Des composants non visibles sans exigences de sécurité peuvent être imprimés en 3D à partir de polyamide 12, de même que des couvercles et des grilles pour la climatisation, pour lesquels on dispose déjà d’une grande connaissance du post-traitement de la surface. Pour des applications plus avancées, les poudres de polyamide 613, dont la température de déflexion thermique est plus élevée, conviennent. Selon lui, la résine élastomère INFINAM® FL 6300 L, récemment introduite, est le matériau idéal pour les applications d’amortissement et les supports de câbles, tandis que la résine à haute résistance INFINAM® ST 6100 L peut être utilisée pour les connecteurs et les clips.
Dans le Global EV Outlook 2021 de l’AIE, le scénario de développement durable envisageait un parc mondial de 230 millions de véhicules électriques en 2030, hors deux-roues et trois-roues. Il s’agissait d’un scénario de parc en circulation, et non d’un volume annuel de ventes ni d’un résultat acquis. Cette perspective motivait le développement de matériaux et de procédés adaptés à l’électromobilité.
Les performances, la recharge et la gestion thermique des batteries constituent plusieurs axes de développement des véhicules électriques. Les producteurs de matériaux recherchent des solutions compatibles avec les contraintes de fabrication, d’assemblage et d’usage. Stoerkle présente les travaux d’Evonik :
« Pour augmenter l’autonomie des voitures électriques, une plus grande efficacité des batteries est nécessaire. La prochaine génération de systèmes de refroidissement avec de nouveaux agents de refroidissement est nécessaire. Les solutions monocouches et multicouches développées par Evonik pour les tuyaux du système de refroidissement peuvent répondre à la nécessité d’une plus grande autonomie des batteries et sont performantes avec différents agents de refroidissement. De plus, nous développons un matériau qui répondra à l’une des exigences les plus élevées en matière d’e-mobilité : le retardement de flamme V0 des polymères sans compromettre les propriétés chimiques et physiques des matériaux sur une large plage de température. »
Le classement V-0 relève des essais de combustion UL 94 sur les plastiques, réalisés dans des conditions définies. Il ne certifie pas à lui seul la sécurité incendie d’une batterie ou d’un véhicule complet. Les solutions de refroidissement évoquées ici ne sont pas nécessairement fabriquées par impression 3D.
L’objectif ici est d’améliorer les batteries avec un poids et des dimensions réduits, qui ont un contrôle efficace de la température.
D’autres familles de matériaux, notamment les polycarbonates et les adhésifs, peuvent intervenir dans les systèmes de batteries. Leur rôle et leurs performances dépendent de la conception et du procédé de mise en œuvre.
Quelle suite pour Evonik ?
Pour conclure l’entretien, Stoerkle décrit la feuille de route d’Evonik en 2022, avec des développements de poudres, de photopolymères et des validations sur différentes plateformes :
« Grâce à notre force d’innovation, à nos années d’expertise dans la chimie des polymères pour la FA et à notre solide réseau de partenaires industriels, Evonik sait comment développer et fabriquer des matériaux et mettre à l’échelle des processus pour la production en série. Nous utilisons cette expertise pour le développement à long terme de nouveaux matériaux pour les applications d’impression 3D en série.
Si on considère le segment des poudres, les nouveaux procédés comme ceux développés par Evolve ou Nexa3D nécessitent de nouvelles poudres sur mesure. Pour les technologies STEP et QLS, nous développons conjointement des matériaux prêts à l’emploi à partir de notre portefeuille existant de poudres polymères, comme le polyamide 613 pour les applications à haute température ou notre élastomère INFINAM® TPA pour les pièces flexibles, afin de les adapter à ces processus très intéressants.
Enfin, [tout au long de cette année], vous verrez nos photopolymères apparaître sur un grand nombre de plateformes d’impression majeures. La validation de nos matériaux est axée sur les systèmes d’impression qui promettent de réduire le coût total de possession et de permettre une véritable production industrielle de pièces.
Nous encourageons tout le monde à nous contacter pour développer et mettre en œuvre d’autres applications de la fabrication additive. »
Cet article exclusif a été rédigé en collaboration avec Evonik.
Cet entretien a été initialement publié dans le numéro de mars/avril 2022 de 3D ADEPT Mag.
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