Matériaux biodégradables pour l’impression 3D

Cet article présente un certain nombre de matériaux biodégradables utilisables pour l’imprimerie 3D, ainsi que les perspectives futures liées à ces mêmes matériaux.

L’impression 3D a considérablement étendu les possibilités de la fabrication industrielle. Cette technique de fabrication additive, qui peut être utilisée pour réaliser rapidement (et à moindre coût) des pièces de la plus simple à la plus complexe, se décline aujourd’hui en différentes technologies. Cependant, ces dernières suivent généralement les mêmes principes de fonctionnement : un matériau, porté jusqu’à un état de fusion partielle, est déposé en couches successives par l’imprimante, suivant les informations contenues dans un modèle CAD préalablement chargé, afin de former l’ouvrage voulu. Le procédé demande des matériaux capables d’entrer en fusion, d’être façonné à volonté, avant d’être à nouveau solidifié (voire dans certains cas polymérisés) et le tout sans altérations significatives de leurs propriétés.

C’est pour cette raison que les thermoplastiques, qui conjuguent l’ensemble de ces exigences, sont les matériaux les plus utilisés dans ce domaine. Malheureusement, le plastique n’est pas biodégradable et peut même constituer un danger pour l’environnement si on s’en débarrasse sans respecter certaines précautions. Par conséquent, un effort colossal est actuellement mené afin de développer des matériaux biodégradables et écologiques, compatibles avec l’impression 3D et capable de créer des pièces mécaniques parfaitement fonctionnelles.

Dans cet article, Xometry présente un aperçu des matériaux biodégradables utilisables dans le cadre de l’impression 3D : ceux qui sont déjà disponibles sur le marché (comme le PLA) et d’autres encore en phase de développement pour perfectionner leur compatibilité avec le procédé.

PLA

Le PLA (Acide polylactique) est le matériau biodégradable le plus populaire et accessible utilisé en impression 3D. 

C’est un polyester créé à partir d’acide lactique, obtenu par la fermentation contrôlée d’une source de carbohydrates (comme du sucre de canne ou de l’amidon). Le PLA est produit à partir de l’acide lactique, soit par la condensation directe des monomères lactiques, soit par la polymérisation du lactide, un dérivé de l’acide lactique.

Le PLA est utilisé principalement dans le cadre de l’impression 3D FDM. Il se comporte comme un thermoplastique et peut, de ce fait, être fondu et façonné à loisir sans perdre ses propriétés mécaniques, qui peuvent être comparées à celles du polypropylène ou du polyuréthane. Ses propriétés thermiques sont satisfaisantes mais relativement pauvres comparées à celles de l’ABS.

FDM PLA, as printed

Quelques avantages du PLA (en plus d’être biodégradable) sont détaillés ci-dessous :

  • C’est un matériau renouvelable, produit à partir d’éléments naturels
  • Il est certifié sans danger pour la fabrication d’emballages alimentaires
  • Il est non toxique et peut être utilisé pour des applications médicales

En revanche, il présente certains désavantages, dont :

  • Il n’est biodégradable que dans certaines conditions de compostage spécifiques et contrôlées
  • Le fait qu’une grande quantité de nourriture, et notamment de maïs, soit utilisée dans la fabrication des bioplastiques est sujet à polémique.
  • Il présente une légère défaillance en termes de résistance et de taux de cristallinité quand on le compare aux plastiques traditionnels à base d’hydrocarbures.

Le PLA est largement utilisé dans la coutellerie, la fabrication d’emballages alimentaires, les soins, le textile et les cosmétiques. C’est un des filaments d’impression 3D les plus répandus.

PHA

Les PHA (Polyhydroxyalcanoates) sont des bioplastiques produits à partir de la culture d’une certaine bactérie : le matériau est synthétisé dans les cellules des bactéries en question et extrait sous la forme de granulés hautement réfléchissants.

Ce matériau ne jouit pas de la même popularité que le PLA pour l’impression 3D et est toujours en phase de développement. Sa quasi-indisponibilité sur le marché à l’heure actuelle en fait une alternative relativement onéreuse. D’un autre côté, sa dégradation est beaucoup plus rapide et peut s’achever en un à trois mois. Les propriétés des PHA varient légèrement en fonction de leur composition chimique. Ce sont des thermoplastiques élastiques et dotés d’une bonne résistance à l’humidité.

Quelques bénéfices des PHA :

  • Ils sont biodégradables et se dégradent en moins de trois mois
  • Leurs propriétés plastiques sont intéressantes
  • Ils sont produits naturellement à partir de bactéries
  • Ils résistent aux UV

Quelques-uns de leurs désavantages :

  • Production coûteuse
  • Moins accessibles aux consommateurs

Comparés à d’autres bioplastiques, les PHA souffrent d’une moindre résistance, d’une flexibilité inférieure et de propriétés thermiques moins avantageuses.

Leur application dans le cadre de l’impression 3D fait encore l’objet de nombreuses recherches. À l’heure actuelle, la majeure partie de leur utilisation entre dans la fabrication de composites (lorsqu’ils sont conjugués avec d’autres plastiques).

FLAM

Le complexe adhésif pseudo-fongique ou fungal like adhesive material en anglais (FLAM), est un autre genre de matériau qui pourrait potentiellement révolutionner l’impression, 3D : produit à partir de chitine et de cellulose (deux polymères parmi les plus abondants sur Terre), ce matériau hautement versatile peut être adapté pour la menuiserie, la fonderie, le moulage et, bien sûr, l’impression 3D. Ses propriétés mécaniques sont presque identiques à celles de la mousse de polyuréthane. C’est un matériau très récent, toujours en cours de développement, et qui n’est pas encore disponible sur le marché. Il fait, cependant, déjà preuve d’un potentiel énorme, comme on peut le voir dans cette étude.

Quelques bénéfices du FLAM :

  • Il est produit à partir de ressources naturelles, renouvelables et abondantes
  • Il est versatile et peut être adapté à de nombreux procédés de fabrication différents
  • Très bon marché, son coût est dix fois inférieur à celui de l’ABS ou du PLA

Quelques-uns de ses désavantages :

  • C’est un matériau relativement nouveau et qui demande encore beaucoup de développement
  • Utiliser du FLAM en impression 3D est encore un procédé ardu

Matériaux composites

En raison des limitations intrinsèques de nombreux matériaux biodégradables, un effort de recherche est consacré au développement de composites, qui allient deux ou plusieurs matériaux pour en créer un nouveau. Ces composites conjuguent les avantages des matériaux dont ils sont composés, tout en réduisant significativement, voire parfois en éliminant totalement, leurs défauts. 

Ci-dessous quelques composites utilisables pour l’impression 3D :

  • PLA à base d’algues
  • PLA + PHA
  • WoodFill (70% PLA et 30% fibres ligneuses)

Filaments recyclés

Bien qu’ils ne soient pas biodégradables, les filaments à base de plastiques recyclés sont écologiques dans le sens où ils sont produits à partir de plastiques qui auraient autrement fini à la décharge. La majorité des plastiques les plus populaires utilisés en impression 3D sont recyclables.

Conclusion

La prise de conscience du danger que constitue la pollution par les matières plastiques a mené à l’adoption de différentes mesures afin de réduire leur utilisation. Parmi ces mesures, le développement de matériaux biodégradables qui peuvent être utilisés dans le cadre de l’impression 3D afin de profiter de l’énorme potentiel de ce procédé de fabrication tout en protégeant l’environnement.Cependant, le seul matériau biodégradable disponible aujourd’hui pour cette utilisation est le PLA. Afin d’obtenir de notre part un devis pour vos pièces en PLA, importez vos modèles sur la plateforme de devis instantané de Xometry.

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