Le PEEK en impression 3D : un matériau résistant et exigeant

Le polyétherétercétone, plus communément appelé PEEK, est un thermoplastique semi-cristallin très réputé dans l’industrie de la fabrication de par ses propriétés mécaniques. Depuis quelques années maintenant, c’est un matériau prisé par le secteur de la fabrication additive, aujourd’hui disponible sous forme de filament pour toutes les machines FDM/FFF et qu’on commence à voir en poudre pour les procédés SLS. Principalement utilisé dans l’aérospatial, le médical ou encore l’automobile, le PEEK est résistant à la chaleur et à l’usure et peut se substituer à certains métaux grâce à son ratio poids/résistance. Notez que c’est un matériau d’impression 3D exigeant, difficile à imprimer et qui nécessite un certain nombre de pré-requis. Alors quelles sont les caractéristiques du PEEK en impression 3D ?

Production et caractéristiques du PEEK

Le PEEK fait partie de la famille des PAEK (polyaryléthercétones), réputée pour leurs propriétés thermomécaniques élevées. Si on reprend la pyramide des différents polymères de l’industrie, le PEEK se situe tout en haut, dans la catégorie des polymères hautes performances. Sa structure moléculaire est composée d’une cétone et de deux éthers, des composés organiques de la famille des carbonylés, comportant une double liaison entre un atome de carbone et un atome d’oxygène. Il a été commercialisé pour la première fois à la fin des années 1970 et a rapidement intéressé des secteurs comme l’aéronautique ou l’électronique grâce aux performances qu’il peut offrir. Si on s’intéresse à sa structure, notez que c’est un polymère semi-cristallin, c’est-à-dire qu’environ 30% de la masse du matériau cristallise pendant l’impression. Lors de sa fusion, ses molécules s’arrangent en partie entre elles sous l’effet de la chaleur, créant un certain ordre jusqu’à sa solidification complète. Cela permet notamment de maintenir ses caractéristiques mécaniques lorsqu’on augmente la température. Si cette structure semi-cristalline présente de nombreux avantages, il faut savoir qu’en fabrication additive, cela implique un processus d’impression plus complexe : le PEEK est un matériau très technique qui nécessite expérience et la machine appropriée.

Le PEEK en impression 3D

Lors de l’impression 3D, le processus de cristallisation du PEEK doit être maîtrisé. En effet, une partie du matériau va se cristalliser, changeant alors la densité du matériau. Il faut donc maintenir des niveaux de températures élevées – extrusion, plateau et enceinte – et éviter toute fluctuation de celles-ci. Pour imprimer en 3D du PEEK, il vous faudra donc une imprimante 3D dotée d’un extrudeur pouvant atteindre les 400°C, d’une enceinte chauffée à 120°C et d’un plateau chauffant de 230°C pour bien décoller la pièce et éviter les phénomènes de warping. En termes de réaction chimique, le matériau change de densité pendant l’impression puis il se contracte lorsqu’il refroidit.

Si le PEEK est un matériau exigeant, il faut dire aussi qu’il offre des caractéristiques mécaniques et chimiques très intéressantes pour les industriels : il est très résistant à la chaleur, à l’usure, présente une résistance chimique élevée, est stérilisable et possède des propriétés diélectriques. Le PEEK a également un ratio poids/résistant élevé et est souvent utilisé pour remplacer certains métaux. Enfin, le PEEK est résistant aux flammes ce qui en fera un matériau d’impression 3D intéressant pour des secteurs comme l’aérospatial qui a des contraintes feu/fumée importantes. Si nous devrions le comparer avec d’autre thermoplastique haute performance, le PEEK dépasse l’ULTEM au niveau de la résistance mécanique.

Les différents secteurs d’application

Le PEEK en impression 3D sera particulièrement intéressant pour le médical : bio-compatible et stérilisable, il peut être utilisé pour un certain nombre d’applications dont la fabrication d’implants sur-mesure. Le PEEK possède en effet des propriétés qui se rapprochent de l’os humain : un implant imprimé en 3D avec du PEEK pourrait donc favoriser la reconstruction des tissus autour de l’implant, accélérant l’ostéo-intégration. Quelques entreprises se sont d’ailleurs tournées vers l’impression 3D de PEEK pour concevoir des dispositifs médicaux personnalisés comme FossiLabs.

L’aérospatial et l’automobile sont également des marchés où l’impression 3D de PEEK est courante. La fabrication additive permet de créer des pièces plus performantes, légères, sur-mesure et à la demande : couplée à l’utilisation d’un matériau haute performance, elle est encore plus intéressante. Le PEEK offrira davantage de résistance à l’usure et aux températures, tout en optimisant le poids, une composante clé dans de tels secteurs. Des pièces fabriquées avec du PEEK ont d’ailleurs déjà été envoyées dans l’espace. Une preuve que ce matériau peut répondre aux secteurs les plus exigeants.

Les principaux fabricants et prix du matériau

Actuellement, la majorité du PEEK en impression 3D est disponible sous forme de filaments, compatibles avec des imprimantes 3D à dépôt de matière fondue. On peut d’ailleurs retrouver sur le marché du PEEK chargé en fibres de carbone. Les chimistes comme Victrex, Solvay ou encore Evonik sont les principaux producteurs du matériau. Côté filaments, la plupart des fabricants de machines produisent aujourd’hui leurs bobines comme Intamsys, 3DGence ou Apium. L’entreprise espagnole Innovatefil, filiale de Smart Materials 3D, propose également du PEEK. Si on se penche maintenant sur le prix, il faut savoir que le PEEK est un matériau très cher : comptez entre 350 et 700€ pour un kilo. A titre de comparaison, le PEKK, un autre thermoplastique haute performance, son prix varie entre 400 et 500€ pour un kg. Enfin, pour les procédés SLS, le fabricant EOS a été le premier – et le seul – à proposer le PEEK HP3, un matériau pour le frittage de poudre.

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