Introduction

Le remplacement du métal par des polymères est non seulement possible mais de plus en plus courant. Le développement de polymères et de composites à haute performance a rendu cela possible avec des matériaux qui ont des propriétés mécaniques similaires à celles de l’aluminium pour une fraction du poids.

En outre, la possibilité de fabriquer des pièces à partir de ces polymères, avec des imprimantes 3D à haute température comme l’AON M2+, en a favorisé une adoption plus poussée.

Qu’est-ce qui différencie les métaux et les polymères ?

Avant d’aborder le sujet des polymères adaptés à la substitution des métaux, nous devons définir les bonnes attentes. Certaines entreprises peuvent gonfler les capacités des polymères à haute performance et ne pas considérer que les métaux et les polymères sont fondamentalement différents. Voici en quoi ils diffèrent.

Polymères

Les polymères imprimables en 3D sont des thermoplastiques, constitués de chaînes de polymères chimiquement séparées les unes des autres (c’est-à-dire sans liaison moléculaire entre les chaînes). Ces chaînes sont physiquement enchevêtrées, ce qui confère une intégrité mécanique à l’ensemble du matériau. Si ces chaînes sont organisées en une structure cristalline, elles sont plus difficiles à séparer. Par conséquent, les polymères semi-cristallins sont plus résistants et plus rigides que les polymères amorphes.

Métaux

Si vous placez un métal lambda sous le microscope, vous verrez une structure similaire à l’image A ci-dessous. Les métaux sont constitués de petits grains, où chaque grain est constitué d’un réseau cristallin (image B). Souvent, ces grains diffèrent les uns des autres par la taille et l’orientation de la structure cristalline. Les cristaux se rencontrent aux joints de grains, où la forte liaison métallique est la principale force d’attraction entre les atomes.

Polymères et métaux : Conclusion

En conclusion, nous pouvons dire que :

• les polymères semi-cristallins sont partiellement constitués de cristaux,
• tandis que les métaux contiennent de nombreuses structures cristallines (grains) dont l’orientation diffère.

Comme les chaînes des polymères thermoplastiques sont chimiquement séparées, la force d’attraction entre les chaînes est plus faible que la liaison métallique entre les cristaux dans les métaux. Par conséquent, les métaux sont plus résistants à la déformation élastique (plus rigides) et généralement plus résistants à la température. C’est la raison pour laquelle les métaux ont historiquement été le choix par défaut pour les applications mécaniques et thermiques.

Toutefois, grâce à la mise au point de thermoplastiques plus avancés, la résistance effective des polymères commence à égaler voire, dans certains cas, à dépasser celle des métaux.

Deux matériaux appropriés pour remplacer les métaux : PEEK et ULTEM™

Si le PEEK et l’ULTEM™ 9085 ne représentent pas tous les polymères haute performance capables de remplacer les métaux, ils en sont deux exemples populaires.

Dans les graphiques ci-dessous, avec le PEEK à fibre de carbone (CF PEEK), nous comparons ces matériaux à l’aluminium 6061, un alliage commun utilisé dans la construction de structures d’avions, de pièces automobiles, de structures marines et de produits de consommation

Il s’agit de plusieurs industries où le remplacement du métal peut permettre de réaliser des économies de poids importantes tout en conservant les propriétés mécaniques et thermiques requises, ainsi que des propriétés de résistance chimique supplémentaires.

La résistance spécifique est utilisée pour évaluer la résistance à la traction d’un matériau par rapport à sa densité. La résistance spécifique plus élevée des thermoplastiques permet de fabriquer des pièces plus légères tout en conservant les mêmes propriétés de résistance que les métaux.

Sur les graphiques ci-dessus, on peut voir que le PEEK et l’ULTEM™ offrent une réduction de poids significative – entre 50-60% par rapport à l’aluminium – tout en conservant une grande solidité et une grande résistance à la chaleur.

Dans de nombreuses industries, comme le transport, le remplacement des métaux signifie une plus grande économie de carburant, une réduction des émissions de carbone et/ou une augmentation des capacités de charge utile. En outre, ces matériaux possèdent une résistance chimique et une résistance aux chocs élevés, sont classés UL94-V0 et répondent aux exigences FAR 25.853 en matière de flamme, de fumée et de toxicité (FST), toutes nécessaires dans les applications aérospatiales et navales.

Comment imprimer en 3D le PEEK et l’ULTEM™ ?

La simple impression 3D de ces matériaux hautes performances ne garantit pas que les pièces finales posséderont les mêmes propriétés mécaniques, thermiques et chimiques que le polymère parent.

Pour imprimer ces matériaux, une imprimante 3D a besoin d’une chambre de construction optimisée, contrôlée avec précision et à haute température (min. 132°C). Elle doit posséder des extrudeuses chauffant à environ 500°C, et des surfaces d’impression configurables sont fortement recommandées. L’impression à des températures inférieures à 132°C (dans la chambre d’impression) peut réduire considérablement la solidité de la pièce, sa résistance chimique et nécessiter un recuit supplémentaire au cours duquel le gauchissement ou « warping » est inévitable

L’AON M2+ est une grande imprimante 3D industrielle haute température optimisée pour rendre l’impression 3D de matériaux haute performance, comme le PEEK et l’ULTEM™ 9085, facile et accessible. Apprenez-en davantage sur l’impression 3D de PEEK, PEKK et ULTEM™ dans le webinaire d’AON3D.