Pleins feux sur les matériaux d'impression 3D : Stratasys FDM Nylon 12CF

Stratasys a récemment lancé une nouvelle offre dans sa famille de matériaux FDM en nylon. Ce nouveau matériau est un thermoplastique chargé en carbone appelé Nylon 12CF. Pour présenter certaines des caractéristiques de cet excellent produit, nous avons rassemblé une FAQ sur le Nylon 12CF, ses caractéristiques, des conseils d'utilisation et des informations sur les meilleures pratiques. Continuez à lire pour en savoir plus sur ce nouveau matériau passionnant.

Qu'est-ce qu'un Nylon 12CF et pourquoi Stratasys l'a créé ?

Le nylon 12CF est un matériau thermoplastique auquel on a ajouté des fibres pour améliorer ou modifier ses propriétés matérielles. Ces fibres sont utilisées pour améliorer la résistance, la rigidité et les propriétés thermiques des pièces moulées par injection. Les fibres de verre et de carbone sont le plus souvent utilisées, mais de nombreux autres matériaux peuvent être utilisés pour améliorer d'autres propriétés telles que la stabilité et la résistance à l'usure.

Le Nylon 12CF chargé en carbone de Stratasys est rempli de fibres de carbone coupées à une charge de 35 % en poids. Cela le rend beaucoup plus rigide que le Nylon ordinaire et plus proche, en termes de résistance et de rigidité, de l'ULTEM. La combinaison de la fibre de carbone et du Nylon 12 fournit un matériau avec un rapport résistance/poids très élevé, ce qui est idéal pour les applications où la résistance et le poids optimisé (réduit) sont importants. Souvent, des matériaux tels que l'aluminium ou d'autres alliages métalliques sont utilisés au détriment des thermoplastiques en raison des coûts de moulage par injection lorsque, du point de vue des propriétés du matériau, un thermoplastique est acceptable. En utilisant le Nylon 12CF, nous pouvons maintenant obtenir la résistance requise et réaliser une pièce avec un poids considérablement réduit.

Comme le montre la figure 1 ci-dessous, les fibres du filament sont orientées dans le sens de l'extrusion, ce qui signifie que les propriétés du matériau sont bien définies et cohérentes dans l'ensemble du matériau - et en tant que tel, ce matériau est considéré comme un composite. Il est important de noter que les fibres de carbone existent à l'intérieur de la couche et ne se croisent pas entre les couches, de sorte que la résistance supplémentaire est uniquement dans le plan XY (ou à l'intérieur des couches) et non dans la direction Z (ou entre les couches). Cela crée un matériau aux propriétés anisotropes, ce qui signifie qu'il a des propriétés matérielles différentes dans différentes directions. En raison de cette caractéristique du matériau, vous remarquerez à l'avenir qu'il existe deux valeurs pour les propriétés du matériau, telles que la résistance à la traction et la résistance à la flexion, une pour les directions dans le plan XY et une pour les directions dans l'axe Z. Tous les matériaux imprimés par FDM doivent être considérés comme anisotropes en raison des couches qui créent également des résistances différentes pour les directions dans le plan Z par rapport au plan XY, mais pour le Nylon 12CF la différence est beaucoup plus grande.

Figure 1 : Vue de haut en bas de la section transversale du filament montrant l'alignement des fibres dans le sens de l'extrusion.

Comment se compare-t-il aux autres matériaux ?

L'une des caractéristiques clés du développement du Nylon 12CF étant son rapport résistance/poids élevé, nous allons examiner la résistance à la flexion (ou au pliage) et la résistance à la traction. La résistance à la flexion est une bonne mesure de la rigidité du matériau et est définie comme "sa capacité à résister à la déformation sous une charge de flexion" et la résistance à la traction est définie comme "sa capacité à résister à l'arrachement", ensemble elles sont une bonne mesure de la rigidité et de la résistance d'un matériau. Ces propriétés sont testées comme indiqué sur la figure 2 et, comme mentionné précédemment, en raison de la nature anisotrope de ce composite, il est nécessaire de le caractériser dans le plan XY ainsi que dans la direction Z. Nous examinerons également la gravité spécifique, qui est une mesure de la densité du matériau et, en fin de compte, de son poids.

Figure 2 : Essais de flexion et de traction effectués dans la direction Z et la direction XY.

En regardant le tableau 1 ci-dessous, nous pouvons voir que la résistance à la flexion XY (rigidité) et la résistance à la traction pour le Nylon 12CF est maintenant ~2X plus grande que le Nylon 12 non chargé et approximativement la même que l'ULTEM. En comparant la résistance et la rigidité du Nylon 12CF entre le plan XY et l'axe Z, l'influence anisotrope de la fibre de carbone peut être vue comme le matériau a une résistance et une rigidité double dans les directions XY que dans la direction Z.

Tableau 1 : comparaison des propriétés des matériaux

Nous pouvons voir que la rigidité et la résistance du Nylon 12 et du Nylon 12CF sont essentiellement les mêmes dans la direction Z car les fibres ne se lient pas à travers les couches mais seulement à travers les couches.

Nous pouvons également observer la nature anisotrope du matériau FDM dans la différence entre la rigidité XY (21000 PSI) et la rigidité Z (11100 PSI) pour ULTEM. Ce comportement anisotrope est le résultat des couches produites pendant l'impression et montre la différence de résistance à l'intérieur des couches (résistance du plastique) par rapport à la résistance entre les couches (résistance à l'adhérence). Pour de plus amples informations sur les propriétés des matériaux, veuillez consulter les documents suivants :

• Fiche technique Nylon 12
• Fiche technique Nylon 12CF
• Fiche technique ULTEM

Pourquoi ne pas simplement utiliser ULTEM ?

Le nylon 12CF est à peu près aussi solide et rigide que l'ULTEM et n'a pas les capacités améliorées de résistance à la température et aux produits chimiques, alors pourquoi n'utiliserais-je pas simplement l'ULTEM ? C'est une question de rapport résistance/poids. Si vous construisez des pièces pour des gabarits/fixations de fabrication ou pour toute application automobile ou aérospatiale, le poids est un facteur critique.

Nous pouvons voir que le SG du Nylon 12CF est de 1,15 contre 1,27 pour l'ULTEM, ce qui signifie que pour la même pièce imprimée en Nylon 12CF, le poids sera réduit de 10% par rapport à une pièce en ULTEM. Il s'agit d'une réduction de poids significative pour une pièce ayant approximativement la même résistance.

Comment puis-je l'obtenir ?

Le nylon 12CF est disponible pour l'imprimante 3D Fortus 450mc FDM et nécessite l'intervention d'un technicien pour installer le kit de mise à niveau. L'installation prend environ quatre heures. La mise à niveau comprend deux blocs d'entraînement de matériau, un bloc de matériau et une nouvelle tête. Les nouveaux composants sont fabriqués en titane. La tête doit être changée lorsqu'on passe du Nylon 12CF à un autre matériau, c'est pourquoi une station d'accueil est fournie avec le kit pour stocker la tête inutilisée lorsqu'elle n'est pas utilisée (voir la figure 3 ci-dessous).

Le SR-110 (Fortus Plus) est utilisé comme matériau de support. Notez qu'il s'agit d'un support soluble et qu'il est donc nécessaire de faire tremper les pièces dans une station de lavage pour dissoudre le matériau de support. Les stations de lavage contiennent une solution d'hydroxyde de sodium qui est chauffée et agitée pour dissoudre rapidement le matériau de support. Reportez-vous au document lié dans la section des considérations de construction ci-dessous pour des instructions spécifiques sur le retrait du matériau de support. Contactez Javelin pour connaître le prix du kit de mise à niveau Nylon 12CF.

Figure 3 : Station d'accueil pour le rangement de la tête inutilisée

Quelles sont les principales considérations en matière de construction ?

Comme pour la plupart des thermoplastiques FDM de qualité technique, il existe des exigences spécifiques en matière de traitement et de fabrication pour garantir une qualité de surface, une résistance et une fiabilité optimales. Il existe des recommandations concernant l'orientation de la fabrication, la hauteur de la tranche, le style de support, les styles de remplissage, l'utilisation de tours sacrificielles, le mode de fabrication et les paramètres du parcours d'outil qui doivent être respectés. Consultez ce document pour obtenir des informations spécifiques sur ces paramètres.

La chose la plus importante à retenir est que le matériau est anisotrope. Il est donc nécessaire de bien comprendre les charges et les flexions appliquées à la pièce pour l'orienter correctement afin de garantir que la résistance soit dans la direction requise. Une autre bonne règle de base est d'essayer d'orienter votre pièce pour obtenir la plus grande surface possible entre les couches.

Comme toujours, il est essentiel de s'assurer qu'un bon étalonnage du décalage XYZ a été effectué après avoir changé de matériau pour le Nylon 12CF. Prenez le temps d'obtenir un décalage XY conforme aux spécifications (+/- 0,002") avant d'effectuer l'étalonnage Z. Lors de l'étalonnage Z, assurez-vous d'utiliser des pieds à coulisse et essayez d'obtenir une précision de +/- 0,001".

Quelles sont les applications ?

• Effecteurs robotiques (outillage en bout de bras) - L'outillage en bout de bras est très spécifique à la pièce qui est moulée et les exigences changent donc souvent. Ils sont aussi généralement requis en faible volume, c'est donc une application idéale pour l'impression 3D. Traditionnellement, cet outillage est usiné dans de l'aluminium, mais avec le Nylon 12CF, il est possible de fabriquer un outillage beaucoup plus léger, ce qui permet d'utiliser un robot de plus petite taille et moins coûteux. Comme on peut le voir dans la figure 4 ci-dessous, la liberté de conception offerte par l'impression 3D permet également de concevoir un outil beaucoup plus simple, ce qui entraîne une réduction significative du poids et de la complexité.

Figure 4 : Composant EAOT traditionnel et composant FDM simplifié utilisant des méthodologies de conception pour la fabrication additive.

• Formage du métal - Les formes métalliques ont été imprimées en 3D avec succès et utilisées dans l'industrie de la tôle depuis un certain temps déjà. L'impression 3D permet à n'importe qui de fabriquer ces outils et elle est beaucoup plus rapide et moins chère que l'usinage CNC traditionnel à partir de métaux. La résistance à l'usure du Nylon 12CF étant améliorée par la présence de fibres de carbone, ces formes devraient durer encore plus longtemps.

• Gabarits/Fixtures/Guides de perçage - La grande rigidité et la légèreté du Nylon 12CF en font un matériau idéal pour les gabarits et les fixations. Cette rigidité en fait également un bon choix pour les guides de perçage - ce qui permet une meilleure précision des trous percés. En outre, la rigidité permet au dispositif de fixation d'être une surface conforme lorsque la pièce présente une flexibilité inhérente, par exemple une tôle de faible épaisseur. Voir la figure 6 pour un exemple de gabarit de perçage avec inserts métalliques.

Figure 6 : Guide de perçage avec inserts métalliques imprimés en Nylon 12CF

• Supports - Les supports FDM Nylon 12CF légers et rigides peuvent remplacer les supports métalliques dans un environnement industriel et sont particulièrement utiles pour les supports de complexité moyenne à élevée qui nécessiteraient de multiples composants ou des réglages de machine difficiles en raison de la géométrie de la pièce.

Figure 7 : Supports d'outillage personnalisés par ORBITAL ATK conçus pour la flexibilité et la réponse rapide aux exigences du projet. Le Nylon 12CF FDM fournit la force et la rigidité nécessaires.

Si vous êtes intéressé par la mise à niveau de votre imprimante 3D Fortus 450mc pour profiter de ce matériau étonnant, ou si vous souhaitez faire imprimer une référence, veuillez contacter les experts en impression 3D de Javelin et nous serons heureux de vous aider !