Une hypothèse ancienne chez les ingénieurs matériaux du domaine de la conception pour la fabrication additive (DfAM) veut que les thermoplastiques issus de la fabrication additive soient intrinsèquement inférieurs à leurs équivalents moulés par injection. En fabrication par filament fondu (FFF) conventionnelle, les pièces présentent fréquemment des propriétés mécaniques anisotropes : l'axe vertical (ZX) n'offre qu'une fraction de la résistance obtenue dans le plan de fabrication horizontal (XY).

Orion AM conçoit des solutions à ces limites en faisant progresser la gestion thermique du procédé, et démontre que cette faiblesse n'est pas une limite intrinsèque des polymères comme le polyétheréthercétone (PEEK) et ses homologues à ultra-haute température. Elle résulte plutôt d'un historique thermique non optimisé pendant le dépôt.

En maîtrisant précisément l'historique thermique du PEEK, les systèmes de fabrication additive peuvent atteindre la résistance du moulage par injection dans des pièces imprimées en 3D, avec une densité relative élevée et des performances mécaniques quasi isotropes dès la sortie du plateau d'impression.

Maîtrise de l'historique thermique & physique des polymères

Le PEEK est un thermoplastique semi-cristallin dont le point de fusion est de 343°C et la température de transition vitreuse de 143°C. Ses performances mécaniques, notamment sa résistance à la traction élevée, sa rigidité et sa résistance chimique, dépendent fortement de la formation et de l'alignement de ses structures cristallines.

Lors de la mise en œuvre de polymères semi-cristallins sur des systèmes d'impression standard, l'historique thermique de chaque cordon déposé est fragmenté :

1. Extrusion et refroidissement rapide : le polymère fondu sort de la buse à des températures supérieures à 380° C et rencontre immédiatement un air ambiant plus froid.
2. Écarts de température entre les couches : si la température de surface de la couche sous-jacente descend sous le point de transition vitreuse avant l'application du cordon suivant, la diffusion des chaînes de polymère à travers l'interface s'interrompt.
3. Formation de microvides : un enchevêtrement moléculaire incomplet crée des espaces entre les couches et une porosité interne au sein de celles-ci, d'où des densités relatives comprises entre 87% et 95% et un décollement important selon l'axe Z sous charge.

Atteindre la parité structurelle avec le moulage par injection exige de maîtriser l'historique thermique du polymère afin que l'interface reste dans l'état thermodynamique optimal pour l'interdiffusion moléculaire et une cristallisation uniforme.

Cristallisation in situ : supprimer le recuit après impression

Dans les flux de travail traditionnels, les composants en PEEK imprimés subissent souvent un post-traitement secondaire, comme un recuit au four, pour tenter d'induire la cristallisation et de relâcher les contraintes internes. Toutefois, si un traitement thermique après impression peut augmenter la cristallinité globale, les recherches montrent qu'il ne peut ni résorber les poches de vide internes ni réparer la microporosité figée dans la structure lors du dépôt. Surtout, le recuit ne peut pas améliorer la liaison entre des couches qui n'ont pas correctement fusionné pendant l'impression. 

Pour obtenir une résistance optimale entre les couches, la cristallisation in situ du PEEK en impression 3D doit se produire de façon dynamique pendant la fabrication. Le procédé propriétaire de chauffage par rayonnement thermique (TRH) d'Orion AM y parvient grâce à une architecture thermique découplée et multizone :

• Contrôle haute température : une chambre de fabrication fermée fonctionnant jusqu'à 315° C (avec un plateau chauffant régulé jusqu'à 320° C) maintient l'équilibre thermique de l'environnement et empêche une contraction thermique prématurée.
• Chauffage focalisé : chaque couche imprimée est portée à sa température de fusion idéale, ce qui améliore sa liaison avec la couche suivante.

En combinant un rayonnement thermique non focalisé pour la stabilité géométrique d'ensemble et un chauffage focalisé de précision, les chaînes de polymère conservent suffisamment d'énergie thermique pour cristalliser à travers les limites des couches pendant le dépôt. Cela permet une semi-cristallisation in situ entre les couches et au sein de celles-ci pendant l'impression, sans étape de recuit après impression

Étude de cas empirique : performances mécaniques du PEEK Solvay KetaSpire® 

Pour évaluer le résultat mécanique de cet historique thermique maîtrisé, des essais indépendants ont été menés par un tiers sur du PEEK KetaSpire® de Syensqo (anciennement Solvay), disponible dans le commerce et mis en œuvre avec le système TRH d'Orion AM.

1. Densité et porosité

La tomographie micro-CT et les mesures de densité par la méthode d'Archimède confirment que les composants en PEEK imprimés avec le TRH atteignent une densité relative pouvant aller jusqu'à 99.95%. L'élimination quasi complète des vides internes produit une structure interne homogène, comparable à celle d'un matériau massif moulé par injection.

2. Résistance à la traction et isotropie

Les essais de traction dans les orientations standard montrent que le chauffage radiatif permet à la résistance de liaison selon l'axe vertical Z d'égaler ou de dépasser les valeurs de référence du moulage par injection :

Données : essais indépendants du PEEK Solvay KetaSpire® avec le procédé TRH d'Orion AM.

Le PEEK KetaSpire® de Syensqo (Solvay) imprimé en orientation verticale (ZX) a atteint une résistance ultime à la traction de 95.4 MPa, dépassant la valeur de référence de 91.0 MPa du moulage par injection standard. La résistance des liaisons entre les couches se rapprochant de la résistance intrinsèque du cordon de polymère extrudé, les performances mécaniques deviennent pratiquement indépendantes de l'orientation d'impression et de l'angle de remplissage

Conclusion

L'idée selon laquelle les polymères imprimés en 3D seraient intrinsèquement moins résistants que les composants moulés reflète les limites thermodynamiques du chauffage ambiant traditionnel, et non les limites du PEEK et de ses homologues. En maîtrisant l'historique thermique du polymère grâce au chauffage ciblé par rayonnement thermique, les systèmes de fabrication additive peuvent atteindre jusqu'à 99.95% de densité relative, une semi-cristallisation in situ et des propriétés de traction verticales égales ou supérieures aux références du moulage par injection.