En bref
Dans ce guide, nous abordons les principaux matériaux, technologies et applications qui sous-tendent l’impression 3D souple. Vous découvrirez comment différents types de matériaux, du TPU aux matériaux de type caoutchouc PolyJet™ en passant par les élastomères P3™ tels que les silicones, se comportent dans la pratique. Nous examinons le lien entre la dureté Shore et la souplesse, ainsi que la manière d’adapter les performances des matériaux à des utilisations concrètes. Nous comparons également les technologies Stratasys, notamment le FDM®, le PolyJet et la technologie DLP P3™, explorons les domaines d’application des matériaux souples dans divers secteurs industriels et proposons un cadre clair pour vous aider à choisir le matériau le mieux adapté à votre application.
L'impression 3D souple désigne le procédé de fabrication de pièces à partir de matériaux élastomères conçus pour se plier, s'étirer, se comprimer ou absorber les chocs tout en reprenant leur forme initiale. Elle utilise des matériaux thermoplastiques souples et des photopolymères tels que le TPU (polyuréthane thermoplastique) ainsi que d'autres matériaux élastomères présentant des propriétés de dureté Shore et d'allongement variables. L'impression 3D souple est largement utilisée pour fabriquer des poignées ergonomiques, des joints d'étanchéité, des joints de serrage, des appareils portables, des éléments d'amortissement, ainsi que des composants médicaux ou dentaires qui nécessitent de la souplesse, de la résilience ou une flexion répétée.
L’impression 3D souple consiste à produire des pièces subissant d’importantes déformations réversibles – flexion, compression ou absorption des chocs – et retrouvant leur forme initiale lorsque la force cesse d’être appliquée. Selon le matériau, cela peut aller d’une légère flexion sous charge à un comportement totalement similaire à celui du type caoutchouc.
Tous les matériaux souples ne se comportent pas de la même manière. Certains sont conçus pour imiter le caoutchouc en termes d’ajustement et de toucher. D’autres sont conçus pour résister à des contraintes répétées, à l’abrasion ou à une utilisation mécanique sans se rompre. Cette distinction est importante dès le départ, car elle influe à la fois sur le choix du matériau et sur le procédé d’impression.
La dureté Shore et l’élongation à la rupture constituent les moyens les plus simples de quantifier ces propriétés. Des valeurs de dureté Shore A plus faibles indiquent des matériaux plus souples et plus conformes. Des valeurs plus élevées correspondent à des matériaux plus fermes offrant un meilleur maintien. L’élongation à la rupture indique dans quelle mesure un matériau peut s’étirer avant de se rompre.
La question clé est de savoir quelles performances la pièce doit offrir. S’il s’agit du réalisme de poignées, de joints ou d’éléments surmoulés, on optimise généralement le toucher et la qualité de surface. S’il s’agit d’éléments fonctionnels, tels que des capots de protection, des outillages ou des pièces soumises à des flexions répétées, on privilégie davantage la durabilité et l’Uniformité des pièces dans le temps.
Les matériaux d'impression 3D souples présentent un large éventail de propriétés, allant des plastiques robustes et légèrement souples aux matériaux souples de type caoutchouc. Le choix approprié dépend moins du « degré de souplesse » d’un matériau pris isolément que des performances qu’il doit offrir en situation d’utilisation, par exemple en cas de flexion répétée, d’adhérence en surface, d’étanchéité ou simplement pour reproduire le toucher d’un produit fini.
C’est en se penchant sur leurs caractéristiques de performance que l’on comprend le mieux ces matériaux :
Certains matériaux offrent une souplesse limitée, comme les photopolymères semi-flexibles ou les matériaux à base de polypropylène, mais ceux-ci ne présentent pas le comportement de type caoutchouc décrit dans ce guide.
Les élastomères thermoplastiques (TPE) constituent une vaste catégorie de thermoplastiques souples, tout en désignant également un type spécifique de TPE. Le TPU, utilisé dans les systèmes FDM® de Stratasys, s’inscrit dans la catégorie des TPE et offre un bon équilibre entre souplesse et durabilité.
Les matériaux tels que le TPU 92A FDM® offrent un bon équilibre entre souplesse et durabilité ; vous pouvez donc les utiliser lorsque les performances priment sur l’état de surface : pour des pièces devant résister à l’usure, aux vibrations ou à des mouvements répétés.
Les matériaux PolyJet souples, tels que l’Agilus30, le Tango et l’Elastico, sont conçus pour reproduire fidèlement les élastomères avec un haut niveau de détail et de précision. Ces matériaux offrent différents degrés de souplesse et de flexibilité, ce qui vous permet d’adapter le toucher et le comportement du matériau à l’application visée. Les mélanges de matériaux numériques vont encore plus loin en vous permettant d’ajuster la dureté Shore et le comportement au sein d’une même pièce. Et grâce à l’impression multi-matériaux, vous pouvez combiner des éléments rigides et souples dans une seule pièce.
Ces matériaux sont utilisés pour la réalisation de prototypes réalistes, de surfaces au toucher doux et la validation de conception, ainsi que pour des pièces nécessitant une souplesse contrôlée sans pour autant présenter toutes les caractéristiques d’un élastomère.
Les résines souples pour l’impression 3D par jet, telles que TissueMatrix® et GelMatrix®, vont encore plus loin en offrant un comportement très souple, proche de celui d’un gel. Elles sont utilisées dans la simulation et la formation médicales, où la reproduction de la réponse des tissus mous prime sur la résistance mécanique.
Les matériaux souples pour la technologie DLP P3™ sont adaptés aux applications où le comportement sous contrainte dans des situations réelles est important.
Toutes les pièces imprimées en 3D dites « en silicone » ne sont pas réellement en silicone.
Les matériaux en silicone véritable, comme le P3 Silicone 25A, se comportent comme du silicone de moulage. Ils résistent à la compression, assurent l'étanchéité et supportent des déformations répétées, et vieillissent au fil du temps d'une manière que les matériaux de type silicone ne peuvent généralement pas égaler.
C’est un aspect important lors du passage du concept à l’application. Si la pièce doit fonctionner dans des conditions réelles pendant une période prolongée, le comportement du matériau et son vieillissement importent davantage que son aspect.
Stratasys prend en charge l’impression 3D souple à travers plusieurs technologies, chacune adaptée à un type d’application différent. Le choix ne se résume pas à la souplesse d’un matériau, mais dépend davantage des performances requises de la pièce, de son utilisation et de l’Uniformité des pièces.
Il s’agit donc de choisir entre la technologie FDM pour des pièces fonctionnelles durables, la technologie PolyJet pour des prototypes très détaillés de type caoutchouc, et la technologie P3 pour des applications élastomères dont les performances se rapprochent de celles de la production. Chacune occupe une place distincte en termes de durabilité, de réalisme et de comportement du matériau.
Le FDM est idéal pour les pièces fonctionnelles souples, en particulier lorsque celles-ci doivent allier durabilité et résistance à l’usure.
Les matériaux comme le TPU 92A ne se contentent pas de fléchir une seule fois. Ils supportent des flexions répétées, l’abrasion et l’usure quotidienne sans se détériorer. C’est pourquoi on les retrouve notamment dans les housses de protection, les conduits, les joints d’étanchéité et les outils préhenseurs. Vous n’obtiendrez pas l’état de surface le plus parfait, mais vous obtiendrez des pièces suffisamment robustes, prévisibles et fiables pour être utilisées en atelier ou en production.
La technologie PolyJet est conçue pour produire des impressions très détaillées, de type caoutchouc, en particulier lorsque le réalisme et la qualité de surface sont essentiels. Des matériaux tels que l'Agilus30, l'Elastico et le Tango vous permettent de contrôler la souplesse et peuvent être associés à des matériaux rigides au cours d'un même cycle de production.
Cette technologie est donc particulièrement adaptée aux pièces surmoulées, aux joints d’étanchéité, aux éléments au toucher doux et aux assemblages complexes. Vous pouvez varier la dureté Shore au sein d’une même pièce et obtenir des détails fins impossibles à réaliser avec des systèmes à filament.
La technologie PolyJet est largement utilisée pour la validation de conception, les modèles médicaux et les applications où l’aspect, le toucher et l’ajustement de la pièce doivent correspondre étroitement au produit final.
La technologie DLP P3™ étend l'impression 3D souple aux performances réelles des élastomères pour des applications concrètes, notamment le silicone et les matériaux hautement extensibles. C'est là que l'impression 3D souple dépasse le stade de la simulation pour aboutir à des pièces capables de se comporter comme des élastomères de production.
Le P3™ Silicone 25A est utilisé pour la production en petites séries ou le prototypage de pièces traditionnellement fabriquées à partir de silicones moulables : lorsque la résistance à la compression à long terme et la souplesse dans des conditions exigeantes sont importantes, comme pour les joints d’étanchéité, les garnitures d’étanchéité et tout ce qui doit se déformer et reprendre sa forme de manière prévisible sur une longue période, dans des environnements humides ou à des températures basses ou élevées. Des conditions dans lesquelles les élastomères standard ou les matériaux souples ne résisteraient pas.
Les matériaux élastomères tels que le Stretch 80 et l’IND475 sont conçus pour des mouvements répétés. On les retrouve notamment dans les préhenseurs souples et les outils en bout de bras, où les pièces sont soumises à une flexion continue.
L’avantage des matériaux souples de la technologie DLP P3™ réside dans le fait qu’au lieu de se contenter de simuler le caoutchouc, vous obtenez un véritable comportement élastomère, sans nécessiter d’outillage, avec une uniformité des pièces et une répétabilité du résultat, ainsi qu’un très bon état de surface.
Les applications de l'impression 3D souple vont des orthèses médicales sur mesure aux amortisseurs de vibrations industriels, en passant par les joints d'étanchéité automobiles. Grâce aux thermoplastiques souples et aux photopolymères, les fabricants peuvent produire des composants offrant une résistance aux chocs, un confort ergonomique et des géométries d’étanchéité complexes. Ces matériaux permettent également de fabriquer des produits grand public sur mesure, tels que des chaussures, des appareils portables et des équipements de protection, tout en garantissant une production durable et répétable pour des applications industrielles exigeantes.
Ce qui varie, c’est le rôle joué par la pièce. Certaines applications exigent des performances fonctionnelles, d’autres des prototypes fonctionnels permettant de valider l’ajustement et le confort avant de se lancer en production. Souvent, il s’agit des deux, à différentes étapes d’un même projet.
Dans le domaine de la santé, selon les cas, les priorités peuvent inclure le réalisme, une souplesse contrôlée, la durabilité, la biocompatibilité ou les performances à long terme.
Pour les modèles de simulation et les modèles anatomiques, on utilise des matériaux très souples afin de reproduire de manière réaliste la réponse des tissus. Pour les composants fonctionnels ou en contact avec le patient, les matériaux doivent également offrir une fiabilité mécanique, une élasticité, une capacité de retour élastique et des performances à long terme.
Les applications automobiles se répartissent généralement en trois domaines : le prototypage et la validation de la conception, . Chacun d'entre eux présente des exigences différentes en matière de matériaux.
Exigences clés :
Le prototypage et la validation de la conception se concentrent sur la façon dont les pièces s’emboîtent, se compriment et se comportent par rapport aux composants environnants. Les accessoires de fabrication et l’outillage privilégient la durabilité et la protection des pièces. Les pièces destinées à un usage final doivent offrir des performances à long terme face à l’usure, aux vibrations et aux compressions répétées.
L'utilisation d'un matériau élastomère a permis à l'équipe de Polaris de réaliser rapidement des itérations et de tester plusieurs conceptions géométriquement précises pour le conduit d'admission de l'un de ses véhicules.
Dans le domaine des produits de grande consommation, l’accent est souvent mis sur l’interaction avec l’utilisateur et le toucher lors du prototypage et de la validation de la conception, ainsi que sur la durabilité, le confort et les performances à l’usage répété pour les pièces d’outillage et de production.
Les équipes de conception doivent souvent tester le toucher d’un produit avant de s’engager dans la fabrication des outils, en particulier pour les pièces où le toucher, le confort ou la souplesse sont essentiels.
Les matériaux souples sont utilisés pour :
Exigences clés :
Dans les environnements industriels, les matériaux souples sont généralement utilisés pour le prototypage et la validation, les accessoires de fabrication et les pièces destinées à un usage final. Ils peuvent servir à la manutention, à la protection et à l'interaction avec les processus.
Pour le prototypage, l’accent est souvent mis sur la validation de l’ajustement, du mouvement, de la compression et de l’interaction avec les composants environnants. Pour l’outillage et les accessoires de fabrication, la performance sur de longues périodes est importante. Les pièces doivent supporter une utilisation continue, ce qui fait de la résistance à la fatigue et de l’Uniformité des pièces des facteurs clés.
Parmi les cas d’utilisation typiques, on peut citer :
Exigences clés :
Les matériaux souples apportent un nouvel éventail de capacités en termes de matériaux à l’impression 3D. Au lieu de se concentrer uniquement sur la forme et l’ajustement, il est désormais possible de concevoir des pièces en tenant compte du mouvement, du contact et des interactions avec le monde réel. Cela inclut les pièces qui doivent saisir, étanchéifier, absorber les chocs ou fléchir sous l’effet d’une charge.
Tout comme les pièces rigides imprimées en 3D, elles contribuent à réduire les coûts d’outillage, à raccourcir les cycles de développement, permettent de réaliser des géométries plus complexes et favorisent la personnalisation ou la production en petite série. La différence réside dans le fait que le comportement du matériau lui-même fait désormais partie intégrante de la fonction de conception.
Concrètement, l’avantage ne se résume pas à la « souplesse ». Il s’agit de la capacité à adapter le comportement du matériau aux performances attendues de la pièce. Qu’il s’agisse de durabilité et de flexion répétée avec le TPU 92A FDM, de souplesse contrôlée et de conception multi-matériaux avec les matériaux PolyJet tels que l’Agilus30, le Tango et l’Elastico, ou encore d’une véritable réponse élastomère avec les résines P3 Silicone 25A et P3 Stretch.
Les matériaux souples sont souvent utilisés car ils peuvent absorber l’énergie et supporter des contraintes répétées sans subir de déformation permanente. Au lieu de se fissurer sous l’effet d’une charge, ils reprennent leur forme initiale.
Le TPU 92A FDM en est un bon exemple. Il est largement utilisé pour les pièces devant résister à l’abrasion, aux vibrations ou à des flexions répétées, comme les capots de protection et les conduits. Il convient donc à un usage fonctionnel, et pas seulement au prototypage.
Les outils en bout de bras constituent un autre bon exemple : les matériaux P3 Stretch doivent être suffisamment souples pour manipuler des pièces sans les endommager, mais suffisamment résistants pour le faire des milliers de fois. C’est cette combinaison qui les rend adaptés à une utilisation en production en continu.
Les matériaux souples vous permettent de concevoir des géométries qui seraient difficiles, voire impossibles à réaliser avec les procédés de fabrication traditionnels. Cela inclut notamment les joints intégrés, les éléments encliquetables, les charnières souples, les contre-dépouilles et les pièces multi-matériaux.
Grâce aux mélanges de matériaux numériques PolyJet, vous pouvez combiner des matériaux rigides et souples au cours d’un même cycle de production, ce qui permet de réaliser des conceptions de type surmoulé sans assemblage. Cette fonctionnalité est particulièrement utile pour les produits comportant des zones au toucher doux, des poignées ou présentant un comportement de matériau en couches.
Les matériaux souples facilitent le prototypage et l’itération des conceptions qui reposent sur le mouvement ou le contact. Au lieu de vous contenter d’une approximation du comportement, vous pouvez le tester directement – qu’il s’agisse de la façon dont un joint se comprime et assure l’étanchéité, de la sensation procurée par une poignée ou de la manière dont un composant réagit sous contrainte.
Les matériaux souples présentent des comportements très variés, même lorsqu’ils semblent similaires à première vue. La dureté Shore constitue un point de départ utile, mais les performances en conditions réelles dépendent tout autant de l’allongement, de la résistance et du mode de traitement du matériau.
Le tableau ci-dessous compare les caractéristiques typiques des filaments souples FDM, des photopolymères de type caoutchouc PolyJet, des matériaux Digital Anatomy et des élastomères de la technologie DLP P3™.
|
|
Type de matériau |
Technologie |
Dureté Shore
|
Élongation à la rupture
|
Résistance à la tension
|
Aspect
|
Durabilité
|
Idéal pour |
|
FDM® TPU 92A |
Thermoplastique souple |
FDM |
~92A |
Élevée |
Élevé |
Mat, couches visibles |
Élevé |
Pièces fonctionnelles, conduits, capots, EOAT |
|
Photopolymère de type caoutchouc |
PolyJet
|
~30A (pur) ; 30–95A avec des mélanges de matériaux numériques |
Modéré à élevé |
Modéré
|
Lisse, très détaillé |
Modéré |
Prototypes, toucher doux |
|
|
Photopolymère de type caoutchouc |
PolyJet
|
~26–28A |
Modéré |
Modéré
|
Lisse |
Modéré |
Prototypes souples, joints d’étanchéité |
|
|
Photopolymère de type caoutchouc |
PolyJet |
~45A |
Modéré |
Modérée |
Lisse, toucher doux |
Modéré |
Prototypes, poignées, surmoulages |
|
|
Photopolymère ultra-souple |
PolyJet |
Très élevé |
Faible |
Souple, de type gel |
Variable |
Simulation médicale |
||
|
Élastomère de silicone |
P3 |
~25A |
Élevée |
Modéré
|
Lisse, silicone |
Modéré |
Joints, garnitures, pièces d’usure |
|
|
Élastomère (haute élasticité) |
P3 |
~87A |
Très élevée |
Modérée |
Lisse, élastomère |
Modéré à élevé |
Pièces en élastomère à usage général, joints, prototypes souples |
|
|
Élastomère (haute extensibilité)
|
P3 |
~45–49A |
Très élevée |
Modérée |
Lisse, élastomère |
Élevé |
Pinces souples, EOAT, utilisation industrielle répétée |
|
|
Élastomère ferme (haut rebond) |
P3 |
~85–90A |
Élevée |
Modérée à élevée |
Lisse, élastomère
|
Élevé |
Amortissement, treillis, applications à retour d’énergie (par ex. chaussures) |
Le choix d'un matériau d'impression 3D souple dépend davantage du comportement attendu de la pièce lors de son utilisation que de sa simple souplesse au toucher. Utilisez ce critère comme filtre rapide, puis consultez le tableau comparatif ci-dessus pour connaître les propriétés détaillées.
1. Quel degré de souplesse est requis ?
2. Doit-il être performant ou simuler une fonction ?
3. À quel type de contrainte sera-t-il soumis ?
4. Quelle est l’importance de l’état de surface ?
5. Avez-vous besoin de plusieurs matériaux dans une même pièce ?
6. À quelle étape se trouve la pièce ?
