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La fabrication additive bouscule le monde des polymères

Par Sylvie Latieule

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Le Groupe français des polymères a choisi ce thème de la fabrication additive pour son nouvel atelier de prospective. Objectif : permettre aux polyméristes académiques et industriels de comprendre les enjeux et les perspectives amenés par cette nouvelle technologie.

Les procédés de fabrication additive suscitent un intérêt croissant dans le monde industriel. Estimé à 2,5 milliards de dollars en 2013, le marché est attendu à 16,2 milliards de dollars en 2018, selon les données du pôle de compétitivité Plastopolis. C'est la raison pour laquelle le Groupe français des polymères a fait salle comble, le 10 décembre dernier, à l'Ensam à Paris, dans le cadre de la tenue de son atelier de prospective sur ce thème. Alors que tous les types de matériaux sont touchés par cette rupture technologique, l'idée était d'examiner pourquoi les polymères restent encore un peu à la traîne.

Il faut dire que le sujet est complexe car, pour créer une pièce en plastique en impression 3D, il faut combiner la bonne technologie et le bon polymère (voir encadrés). En théorie, l'offre polymère est abondante, mais dans la pratique, c'est le polyamide, type PA12, qui tient le haut du pavé, en fusion sur lit de poudre. « L'utilisation du PEEK est plus confidentielle. On commence seulement à voir apparaître des polyoléfines et des polyuréthanes thermoplastiques », a expliqué Claire Barrès, maître de conférences à l'Insa de Lyon. Dans la technologie de dépose de fil fondu, on utilise surtout de l'ABS ou du PLA. Et dans tous les cas, c'est la même critique qui revient : les pièces obtenues n'ont pas les propriétés que l'on attendait. L'universitaire a cité des problèmes de propriétés mécaniques insuffisantes, d'anisotropie, de faible densité, de mauvais aspects de surface...

 

Un intérêt dans l'aéronautique

 

Gilles Surdon, de la direction du développement des procédés de production chez Dassault Aviation, a confirmé que, sur les avions de son entreprise, l'usage de pièces en plastique imprimé était peu répandu. Il n'existe en tout cas aucune pièce de classes 1 et 2 (pièces de structure avec impact sur la sécurité) produite selon cette technologie. En revanche, des pièces de classe 3 (sans conséquence sur la sécurité) ont déjà été intégrées sur des Rafale et Falcon car le passage du plastique au métal peut avoir un intérêt au plan environnemental. « Avec la fabrication additive, on construit sans outillage. Nous sommes gagnants dans les petites séries, mais on consomme plus d'énergie par kg de pièce », explique-t-il. Sur cette question, c'est l'ACV qui tranchera. En tout cas, Dassault s'intéresse à cette technologie et a coordonné le projet FUI Fadiplast « FAbrication DIrecte thermoPLASTique avancée » regroupant plusieurs industriels et laboratoires de recherche. Ayant travaillé dans le cadre de ce projet, Gilles Régnier, professeur à Arts et Métiers ParisTech, a montré quels étaient les problématiques scientifiques et les obstacles à lever pour assurer un développement plus rapide de la technologie lit de poudre. « La technologie présente un intérêt sur le théâtre des opérations extérieures pour la fabrication de pièces de rechange sur des avions militaires ou des sous-marins », ajoute Gilles Surdon. Il évoque aussi un intérêt pour la réparation d'avions anciens qui n'auraient plus de pièces de rechange disponibles.

S'il reste du chemin à parcourir dans l'aéronautique, le domaine du dispositif médical a largement basculé dans l'impression 3D. Ludovic Baratier de la société Resmed a présenté des appareils biocompatibles pour lutter contre l'apnée du sommeil, réalisés par frittage laser de poudre PA11 ou PA12. Et l'intérêt de la technologie est sans appel : rapidité de production, modification des pièces à volonté, reproductibilité... Sans parler de la réduction des coûts qui a permis de sauvegarder de l'emploi.

Nicolas Debard, qui représentait le constructeur de machines français Prodways, a confirmé que la technologie a fait ses débuts dans le dentaire et la bijouterie, pour s'introduire ensuite dans l'aérospatial, l'automobile... et peut-être un jour dans la plasturgie ? Des études sont en cours pour la réalisation de moules en plastiques qui résisteraient à des températures suffisamment élevées pour l'injection de certains polymères.

 

Améliorer les propriétés mécaniques des matériaux

 

Au terme de cette journée, il est apparu qu'il restait encore beaucoup de progrès à réaliser, tant du côté des machines que dans la formulation des matériaux. Patrice Gaillard qui dirige la plateforme Canoe en Aquitaine a expliqué que ses collaborateurs travaillaient activement sur la mise au point de nouvelles machines en s'intéressant tout spécialement aux problématiques de dépôt de matière. Leur objectif serait de pouvoir produire des pièces composites autrement. De son côté, l'universitaire Claire Barrès a également expliqué que la piste composite était largement investiguée pour tenter d'améliorer les propriétés mécaniques des pièces. Des travaux sont d'ailleurs en cours sur des matrices chargées de billes de verre, de particules d'aluminium, de fibres de carbone, de nanoparticules de montmorillonite... D'autres axes sont travaillés comme le mélange de polymères, le coating de poudres, l'usage d'additifs réactifs, d'agents nucléants ou de modificateurs chimiques ou de réticulation, le traitement de surface par plasma... Mais dans tous les cas, c'est un couple matériaux-machine qu'il faudra conduire au succès.

LES SIX TECHNOLOGIES DE LA FABRICATION ADDITIVE

Vat photopolymerisation (photopolymérisation en cuve) -un rayon UV réticule un polymère photosensible, liquide, contenu dans une cuve. -Fabricant de machines : Prodways (France), EOS (Allemagne)... Material Jetting (projection de matériau) -des têtes d'impression projettent des gouttes de photopolymères ou de cires. -Fabricants de machines : Stratasys (USA), Phidias Technologies (France)... Binder Jetting (projection de liant) -un liant est projeté sélectivement sur un matériau poudreux. -Fabricants de machines : 3D Systèmes Corp (USA), Voxeljet (Allemagne)... Material extrusion (extrusion de matériau) -un filament de matière plastique est fondu et extrudé à travers une buse. -Fabricants machines : Stratasys (USA), Makerbot (USA), Powder bed fusion (fusion sur lit de poudre) -Une fine couche de poudre est fondue de façon sélective par une source d'énergie (laser ou autre). -Fabricants de machines : EOS (Allemagne), 3D Systems Corp (USA), Prodways (France)... Sheet lamination (stratification de matériau en feuilles) -Découpage puis assemblage de matériaux en feuille. Source Plastipolis

L'OFFRE POLYMÈRES

Résines liquides/visqueuses photosensibles : acrylates, époxys et plus récemment la silicone (Vat photopolymerisation / Material Jetting) Thermoplastiques renforcés ou non, en bobine : ABS, PC, PA, PP, PEI, PLA (chargé ou non), TPE (Material extrusion) Tout polymère sous forme de poudre : PA (chargé ou renforcé fibres/billes de verre), PEEK (+ nanotubes ou fibres de carbone/verre),TPU, PEBA (Powder bed fusion) Source Plastipolis

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