Impression 3D avec des filaments haute température

L’une des raisons pour lesquelles l’impression 3D avec la technologie FDM (Fused Deposition Modeling) est devenue si populaire si rapidement est le fait que l’impression avec des filaments est facile. Ils sont accessibles, faciles à manipuler et se prêtent généralement à un processus d’impression 3D simple, même pour les débutants.

Cependant, tous les filaments d’impression 3D ne sont pas aussi faciles à utiliser. Les filaments qui impriment à des températures élevées sont un peu plus complexes et sont généralement réservés aux projets qui nécessitent des caractéristiques de haute performance. Dans cet article, nous vous donnons quelques exemples de filaments à haute température, les avantages et les inconvénients de l’impression à haute température et plusieurs conseils pour réussir.

Que sont les filaments à haute température?

Pour le dire brièvement, les filaments à haute température sont des filaments d’impression 3D qui nécessitent des températures d’impression élevées. Bien qu’il n’y ait pas de seuil universellement convenu pour qu’une température d’impression soit considérée comme «élevée», nous pouvons inclure tout filament qui imprime de manière satisfaisante au-dessus de 220 ° C dans cette catégorie.

Les filaments à haute température sont appréciés car ils donnent généralement des impressions avec de meilleures propriétés chimiques et mécaniques. Ces impressions sont plus résistantes, ont une meilleure résistance aux chocs et sont stables au contact de produits chimiques. Ils ne se déforment pas aussi facilement lorsqu’ils sont exposés à des températures élevées – un avantage naturel d’être faits de matériaux à haute température.

Cependant, les filaments à haute température sont également connus pour être parmi les plus difficiles à travailler. Pour commencer, certaines imprimantes 3D de bureau peuvent ne pas être en mesure d’atteindre les températures d’impression nécessaires à ces filaments. Un lit chauffant sera également nécessaire, de même qu’une enceinte de lit. L’adhérence du lit est une question difficile et persistante avec les filaments à haute température. Tout bien considéré, vous aurez besoin d’une expérience considérable avant d’obtenir de bons résultats lors de l’impression à des températures élevées.

Exemples de filaments à haute température

abdos

L’acétonitrile butadiène styrène (ABS) est l’exemple le plus courant de filament à haute température et également l’un des plus tristement célèbres. La température d’impression de l’ABS se situe quelque part dans la plage de 210 à 240 ° C, dont la valeur la plus optimale dépend de la marque spécifique.

L’ABS, avec le PLA, est l’un des deux matériaux de filament les plus populaires utilisés dans l’impression 3D. C’est bon marché et disponible pratiquement partout. Les impressions en ABS sont très résistantes, chimiquement stables et ont une excellente stabilité à la chaleur.

Le post-traitement est une force unique de l’ABS en raison de sa solubilité avec l’acétone. La technique du bain de vapeur d’acétone est l’une des méthodes les plus connues pour obtenir une finition uniformément lisse avec des impressions ABS.

Cependant, l’ABS est également connu pour être un matériau très sujet à la déformation et à une mauvaise adhérence au lit. Il dégage également des fumées toxiques lorsqu’il est chauffé, ce qui rend l’impression avec ABS une activité dangereuse si elle est effectuée dans une pièce avec une mauvaise ventilation.

Nylon

Le nylon est considéré comme l’un des polymères synthétiques les plus précieux sur le plan commercial en raison de sa combinaison unique de résistance et de légèreté. Il peut également être façonné en différentes formes en raison de sa caractéristique thermoplastique et peut être personnalisé par l’ajout de copolymères. Le nylon est si solide qu’il a été utilisé pour les parachutes et l’équipement militaire, mais il peut également être trouvé dans le tissu des vêtements courants.

Le nylon imprime à des températures très élevées – quelque part dans la plage de 260 à 280 ° C. En tant que telles, toutes les imprimantes 3D de bureau ne sont pas équipées pour fonctionner avec du nylon. À cette température, le pignon en PTFE habituel utilisé dans les assemblages d’extrudeuse standard se dégrade rapidement. Ainsi, la mise à niveau vers une buse entièrement métallique serait nécessaire.

Comme avec d’autres filaments à haute température, le nylon est très sujet à la déformation. C’est également un matériau extrêmement hygroscopique, même par rapport aux autres filaments utilisés dans l’impression 3D. Cela signifie qu’il absorbe très rapidement l’humidité de l’environnement, ce qui peut être problématique pendant le processus d’impression. Si vous envisagez d’imprimer avec du nylon, vous devrez peut-être investir dans un séchoir à filament dédié.

La même tendance au gauchissement signifie également que les impressions en nylon ont une mauvaise précision dimensionnelle. Cela ne se prête pas bien aux conceptions avec des détails très complexes. La distorsion peut être contrôlée en utilisant une enceinte de lit, mais cela ne garantit pas que le problème sera entièrement évité.

Malgré les défis, le nylon reste un matériau de filament d’impression 3D assez populaire en raison de sa ténacité inégalée. Avec une température d’impression extrêmement élevée, le nylon souligne la plupart des problèmes habituels rencontrés lors de l’impression à des températures similaires.

Amphore

Amphora est probablement le seul polymère personnalisé qui a été largement utilisé sur le marché de l’impression 3D décontractée. Développé par Eastman Chemical Company en 2013, l’objectif d’Amphora est de fournir un matériau d’impression 3D qui combine flexibilité, résistance aux chocs et stabilité à la chaleur.

Pour le dire succinctement, Amphora se vante d’avoir la flexibilité du TPU tout en ayant la stabilité à la chaleur et la résistance aux chocs de l’ABS. Cependant, il ne pose pas les défis de la production et de la déformation des fumées. Cela signifie qu’Amphora a une meilleure stabilité dimensionnelle et est sans danger pour le contact alimentaire.

La température d’impression optimale d’Amphora se situe entre 240 et 260 ° C. Cela lui confère une plage de températures plus élevée que l’ABS et peut nécessiter une mise à niveau de certains composants de l’imprimante 3D. Comme d’habitude, vous aurez besoin d’un lit d’impression en verre chauffé.

L’avantage d’Amphora est qu’il est beaucoup plus résistant au gauchissement que les autres filaments à haute température. Basé sur l’expérience de plusieurs professionnels de l’impression 3D, il est possible d’imprimer avec Amphora même sans boîtier de lit et avec un peu de refroidissement. Cela n’aurait pas été envisageable avec l’ABS ou le nylon.

Une bobine de 1 kilogramme de filament Amphora coûte environ 60 $ – pas exceptionnellement cher, mais facilement le double du coût d’un poids similaire de filament ABS. Compte tenu des avantages, cependant, Amphora offre un rapport qualité / prix incroyable.

LES HANCHES

Le polystyrène à impact élevé (HIPS) n’est pas couramment utilisé pour créer des impressions 3D. Au lieu de cela, son cas d’utilisation courant est un matériau de support, généralement pour l’ABS. Avec une température d’impression optimale comprise entre 230 et 240 ° C, l’ABS peut être imprimé avec de l’ABS sans avoir à effectuer de changements de température au milieu du processus.

Des matériaux de support sont nécessaires pour les conceptions présentant des caractéristiques de surplomb exceptionnellement grandes ou lourdes. Les structures de support empêchent ces éléments de s’effondrer avant de pouvoir se refroidir suffisamment pour développer une résistance suffisante. À la fin du processus d’impression, les structures de support peuvent ensuite être retirées.

Ce qui fait du HIPS un excellent matériau de support, c’est qu’il peut être dissous dans du limonène, un solvant assez courant. Pour retirer les structures de support en HIPS, une impression finie ne doit être trempée dans du limonène que jusqu’à 24 heures.

Étant donné que HIPS imprime à des températures élevées, il est toujours vulnérable aux problèmes de déformation habituels. Cela signifie qu’il nécessitera toujours un lit chauffé avec un traitement d’adhérence et doit être imprimé sans refroidissement. HIPS libère également du gaz styrène lorsqu’il est chauffé, il est donc préférable d’imprimer avec HIPS dans une pièce bien ventilée. Si vous utilisez HIPS comme support pour ABS, la ventilation sera une nécessité absolue.

En soi, HIPS est solide, flexible et a une bonne résistance aux chocs. Bien qu’il soit toujours principalement utilisé comme matériau de support, l’utilisation de HIPS en tant que filament d’impression 3D autonome gagne lentement du terrain.

Filament de polypropylène

Bien que le polypropylène (PP) soit l’un des plastiques les plus populaires, il n’est pas largement utilisé dans l’impression 3D. Pour des raisons que nous verrons plus loin, le PP est l’un des matériaux filamenteux les plus difficiles à travailler.

Le PP imprime entre 210 et 230 ° C – une plage similaire à l’ABS et non une plage de températures exceptionnellement élevée. Comme vous vous en doutez, le PP nécessite les mesures habituelles pour lutter contre la déformation et la mauvaise adhérence du lit. Celles-ci comprennent l’utilisation d’un lit chauffant, d’adhésifs et d’une enceinte de lit.

Cependant, le PP a un comportement de déformation inhabituel en raison de sa structure semi-cristalline. En revanche, d’autres matériaux d’impression 3D comme l’ABS sont considérés comme des plastiques amorphes. Cela signifie que le PP a tendance à créer des cristaux semi-rigides car il se réchauffe au lieu de remplir les espaces vides. En conséquence, la déformation du PP est beaucoup plus difficile à contrôler.

Un autre obstacle du PP est sa faible énergie de surface. Cela signifie qu’il sera très difficile de le faire adhérer au plateau d’impression. Lors de l’impression avec du PP, la sélection d’un adhésif approprié et stable à la chaleur est critique.

Malgré la nature difficile du PP en tant que matériau d’impression 3D, beaucoup conviendront que c’est aussi l’un des plus gratifiants. Le PP est suffisamment solide pour résister aux chocs lourds et réguliers et a été régulièrement utilisé pour les pièces fonctionnelles. Il est suffisamment stable à la chaleur pour résister à la stérilisation par autoclavage et est suffisamment stable chimiquement pour être considéré comme sûr pour le contact avec les aliments.

PLA haute température

Le PLA ordinaire n’est pas connu pour sa stabilité à la chaleur. En fait, il est carrément inadapté aux applications qui nécessitent une exposition à des températures supérieures à 80 ° C. Il s’agit de l’écart de performance le plus flagrant du PLA, compensant ses nombreux avantages.

Pour éliminer cet inconvénient du PLA, certains fabricants de filaments ont mis au point une version de PLA plus stable à la chaleur. Cela se fait par l’ajout d’un agent de nucléation qui servira de «point de départ» pour la cristallisation. Cette action de cristallisation confère une stabilité thermique à cette version modifiée du PLA.

Le plus grand avantage du PLA à haute température est qu’il offre une stabilité thermique sans la plupart des autres problèmes rencontrés avec le PLA à haute température. Il ne se déforme pas facilement et ne présente pas de problèmes d’adhérence du lit. Il est même possible d’imprimer avec du PLA haute température sans lit chauffé ni boîtier.

L’inconvénient de l’impression avec du PLA haute température est qu’elle nécessite une étape supplémentaire – le recuit. Cette étape complète le processus de cristallisation pour permettre au PLA d’atteindre ses propriétés physiques optimales. Cela implique uniquement d’exposer l’impression finie à des températures comprises entre 95 et 115 ° C dans un four ou un bain d’eau chaude, mais cela ajoute une durée significative à l’ensemble du processus.

Le PLA haute température est très rare et il n’y a qu’une poignée de marques qui le proposent. C’est aussi assez cher – environ deux à trois fois le coût du PLA ordinaire.

Avantages et inconvénients de l’impression 3D à haute température

AVANTAGES:

Meilleure stabilité à la chaleur

L’essence même de l’impression avec des filaments à haute température est de proposer des impressions qui peuvent résister à des températures extrêmes sans se détériorer ni se déformer. Cela convient aux projets conçus pour le contact alimentaire ou pour une utilisation en extérieur. Les pièces fonctionnelles qui seront utilisées pour des applications où elles résisteront à un frottement constant sont également bien adaptées à l’impression 3D à haute température.

Propriétés mécaniques supérieures

Dans la plupart des cas, les plastiques qui ont des températures de fusion plus élevées sont également supérieurs mécaniquement. Cela s’exprime en termes de résistance, de dureté ou de résistance aux chocs plus élevées. Pour cette raison, l’ABS ou le nylon sont parmi les matériaux les plus préférés pour l’impression 3D de pièces fonctionnelles et de prototypes.

Généralement sans danger pour le contact alimentaire

Juste pour être clair, ce trait ne s’applique PAS à tous les plastiques de la liste ci-dessus. En règle générale, les filaments ayant une bonne stabilité thermique sont également chimiquement stables. Cela signifie qu’ils ne se détériorent pas facilement lorsqu’ils sont exposés à des acides, des bases, des alcools et des huiles. Cela signifie également qu’ils n’entraînent pas de lessivage de composés chimiques dans d’autres substances.

Presque tout le monde a un contenant de nourriture en PP dans sa maison ou son bureau. Le filament Amphora, en particulier, est un matériau de filament personnalisé qui a été certifié par la FDA comme sûr pour le contact alimentaire.

Il convient de mentionner que les impressions réalisées via la technologie FDM ont intrinsèquement des surfaces inégales et que de petites empreintes sur leurs surfaces peuvent favoriser la croissance bactérienne. Si vous prévoyez d’utiliser des objets imprimés en 3D pour le stockage à long terme des aliments, assurez-vous qu’ils ont été finis par ponçage et polissage.

LES INCONVÉNIENTS:

Sujet à se déformer

Dès qu’un filament fondu sort de la buse d’extrémité chaude, son exposition à l’environnement externe entraîne un refroidissement rapide. Ce refroidissement rapide provoque naturellement la contraction du plastique. Au fil du temps, la contrainte thermique générée par cette contraction surmonte la résistance du matériau, conduisant à une déformation.

Le grand gradient tempéré provoqué par les températures d’impression élevées de ces filaments les rend particulièrement sujets au gauchissement. Le gauchissement se produit lorsque la contrainte thermique s’accumule, en particulier dans les coins, provoquant le soulèvement de la couche de base de l’impression du lit d’impression. Cela a considérablement diminué la qualité de l’impression finale.

L’utilisation du lit chauffant est destinée à réduire les effets de la déformation en réduisant la distorsion causée par les contraintes thermiques. L’application d’une certaine adhérence sur le lit permet également à l’impression de conserver ses dimensions d’origine. En utilisant une enceinte de lit, toute la plate-forme de construction maintient une température légèrement élevée pour atténuer le stress thermique.

Il existe plusieurs façons d’empêcher le gauchissement, mais le point demeure – il va falloir une combinaison de mesures créatives pour obtenir les meilleurs résultats avec les filaments à haute température.

À forte intensité énergétique

Le chauffage est de loin le composant qui détermine la quantité d’énergie consommée par un processus d’impression 3D. Lors de l’impression avec des filaments à haute température, la température nécessaire pour la buse d’extrémité chaude et le lit doit être réglée à des valeurs beaucoup plus élevées que d’habitude. Cela augmente considérablement les coûts énergétiques d’un projet d’impression 3D.

Cela pourrait ne pas être un gros problème si vous ne travaillez que sur un ou deux projets par mois et si vous ne le faites que pour le plaisir. Cependant, pour les entreprises qui produisent un volume élevé de projets imprimés en 3D, la différence peut être assez palpable.

Peut nécessiter un équipement haut de gamme

Toutes les imprimantes 3D de bureau ne sont pas équipées pour l’impression à haute température. Vous aurez besoin à la fois d’une extrémité chaude et d’un lit qui peut atteindre les températures requises par les filaments. Même l’ensemble de l’extrudeuse peut nécessiter une mise à niveau. L’élément de renvoi PEEK ou PTFE utilisé dans la plupart des convoyeurs peut commencer à se déformer lorsqu’il est exposé à des températures supérieures à 240 ° C.

Un autre élément crucial dans l’impression à haute température est une enceinte de lit. Cela permet de réduire la déformation en maintenant une température élevée pour la plate-forme de construction. Alors que certaines imprimantes FDM de bureau ont des boîtiers intégrés, d’autres devront peut-être être mis à niveau pour les rendre appropriées pour l’impression 3D à haute température.

Conseils d’impression 3D pour les filaments à haute température

Comme vous pouvez le voir maintenant, les filaments à haute température présentent une multitude de défis, même pour ceux qui sont expérimentés dans l’impression 3D. Ces conseils n’élimineront en aucun cas tous ces défis, mais ils sont de bons points de départ pour le processus de dépannage.

Commencez à basse température et augmentez progressivement

Les parties les plus cruciales d’un projet d’impression 3D sont les deux ou trois premières couches. La capacité de ces couches à adhérer au lit d’impression détermine la manière dont le matériau résiste aux contraintes thermiques qui seront inévitablement causées par le refroidissement.

Avec ce raisonnement, il serait utile que vous imprimiez les premières couches aux valeurs inférieures de la plage de température d’impression recommandée. Cela réduit la contrainte thermique que le matériau subit en raison des effets du refroidissement et permet au matériau filamentaire de développer plus rapidement sa résistance. Au fur et à mesure que l’impression progresse, vous pouvez augmenter les paramètres de température pour améliorer l’adhésion couche par couche.

Impression lente pour les premiers calques

Parallèlement à une température d’impression faible pour les premières couches, il est nécessaire d’imprimer lentement. Non seulement cela donne suffisamment de temps pour que le filament soit exposé à l’élément chauffant, mais cela ralentit également l’accumulation de contraintes thermiques dans le matériau lorsqu’il est déposé sur le lit d’impression.

Il ne doit pas être extrêmement lent – une vitesse de 30 mm / s est généralement un bon point de départ. Encore une fois, ce paramètre peut être progressivement augmenté aux valeurs maximales acceptables après l’impression de la troisième couche.

Imprimer avec un radeau ou un bord

En tant que stratégie de «dernier recours», vous pouvez simplement ajouter un radeau ou un bord à votre conception si vous rencontrez toujours des problèmes de déformation malgré tous vos efforts pour appliquer des adhésifs. Un bord étend la couche de base de votre conception tandis qu’un radeau imprime une couche «sacrificielle» entière sous votre projet.

Dans les deux cas, l’objectif est d’améliorer l’adhérence du lit en augmentant la surface du plastique lié au lit d’impression. Gardez à l’esprit que vous devrez supprimer tout ce matériel sacrificiel plus tard, ce qui signifie un travail supplémentaire pour vous et plus de chances de gâcher une impression terminée. C’est aussi une stratégie intrinsèquement très inutile car vous finissez par utiliser beaucoup plus de filaments que nécessaire.

Dernières pensées

L’impression avec des filaments à haute température n’est pas quelque chose que les gens font habituellement avec désinvolture. Cela demande beaucoup de travail, et vous allez probablement gâcher quelques tirages avant d’en obtenir un qui vous satisfait.

Dans la plupart des cas, cependant, la récompense vaut bien l’effort. Les filaments à haute température créent des impressions exceptionnellement solides, stables et capables de résister à des conditions extrêmes. Certains d’entre eux sont plus faciles que d’autres – si vous rencontrez des problèmes avec le nylon, essayez d’abord de perfectionner vos compétences avec l’ABS. En revenant aux fondamentaux scientifiques de l’impression 3D, il n’est pas impossible de maîtriser l’utilisation de ces filaments.