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Impression 3D de silicone : fonctionnement, avantages, limites, et cas d’usage


Ce guide couvre tous les aspects principaux de l’impression 3D de silicone, y compris les différentes technologies qui existent pour imprimer du silicone en 3D, comment les imprimantes 3D de silicone marchent, les avantages et les limites ainsi que des exemples de cas d’usage et industries concernées.

L’essor de l’impression 3D de silicone

Avec une excellente stabilité thermique, résistance à l’eau et biocompatibilité, le silicone est depuis longtemps un matériau convoité dans la fabrication additive (FA). Associé à la flexibilité et au coût abordable de l’impression 3D, le silicone offre des possibilités intéressantes dans les domaines de la santé, de l’électronique et autres.

Il y a peu de temps encore, le silicone était presque impossible à imprimer en 3D. Contrairement aux thermoplastiques, qui se prêtent très bien à l’extrusion, le silicone ne peut pas être fondu puis re-solidifié ; il est impossible de le transformer en filament pour imprimante 3D FFF ordinaire. Le silicone a donc, par le passé, largement été cantonné aux procédés de fabrication traditionnels comme le moulage par injection.

Cela a toutefois changé au cours des cinq dernières années, durant lesquelles plusieurs fabricants ont mis au point de nouvelles méthodes dédiées à l’impression 3D de silicone. Certaines de ces méthodes utilisent des têtes de dépôt de matériau tandis que d’autres utilisent une forme de stéréolithographie, produisant des pièces comparables aux pièces moulées par injection.

Exemples d'impression 3D de silicone

Quelques impressions 3D silicone réalisées par ACEO, Carbon, et ERPro (pour MyFit).

Propriétés du silicone

Les silicones sont des polymères contenant du siloxane. Ils se présentent sous plusieurs formes, dont l’huile, la graisse, la résine et le caoutchouc (silicone liquide), entre autres.

En impression 3D, on s’intéresse surtout au caoutchouc de silicone liquide ou LSR (« Liquid Silicone Rubber »), un élastomère très stable qui résiste aux températures et environnements extrêmes.

Les propriétés du silicone incluent notamment :

  • Excellente stabilité thermique
  • Disponible en différentes duretés
  • Étanchéité et résistance à l’eau
  • Résistance aux UV
  • Résistance à l’oxydation
  • Bonne résistance à la compression et à la traction (déchirement)
  • Ignifuge
  • Isolation électrique
  • Biocompatibilité
  • Sécurité alimentaire
  • Peut être stérilisé
  • Options de couleur et de translucidité

Il est toutefois essentiel de mentionner deux points importants. Premièrement, la plupart des LSR imprimables en 3D (ainsi que leurs matériaux de support correspondants) sont encore en phase de R&D et ne sont pas disponibles sur le marché. Deuxièmement, de nombreux procédés d’impression 3D à base de silicone exigent que le LSR comprenne des agents de durcissement UV, qui affaiblissent le silicone et modifient ses propriétés.

Coussinets en silicone pour casque de musique, imprimés par Carbon

Coussinets en silicone pour casque audio imprimés en SIL 30 par Carbon.
Source : Carbon

Imprimer du silicone en 3D : quels avantages ?

Prototypage rapide

Le prototypage rapide est, de manière générale, l’une des utilisations phares de l’impression 3D, quel que soit le matériau utilisé. Les ingénieurs et designers produit peuvent rapidement réaliser des prototypes, les ajuster si besoin, et réimprimer les différentes versions à moindre coût.

Production de petites séries

Autre généralité de l’impression 3D, cette technologie rend possible la production de pièces en faibles quantités sans coûts d’outillage élevés.

Puisque la fabrication de pièces en silicone se faisait auparavant en moulage par injection, il était rarement possible de produire en petites séries, c’est-à-dire par dizaines ou centaines d’unités. En effet, le coût de fabrication d’un moule métallique est élevé et ne devient souvent rentable qu’à partir d’une grosse quantité de production (bien que cela change aussi avec l’impression 3D métallique).

Personnalisation

L’impression 3D ouvre de nouvelles possibilités pour les objets en silicone personnalisés. Le silicone est déjà largement utilisé dans le secteur de la santé depuis des années, mais l’impression 3D permet désormais de fabriquer des modèles personnalisés, comme des implants spécifiques aux patients. Elle permet également de fabriquer des pièces telles que des joints d’étanchéité sur mesure dans le secteur de la construction ou encore des biens de consommation.

Liberté de conception

Lors de la conception 3D de pièces en silicone pour le moulage par injection, les ingénieurs doivent travailler sous les contraintes des plans de joint, des conduits, des trous de serrage, etc. Les imprimantes 3D offrent une plus grande liberté de conception et permettent de créer des pièces en silicone avec des géométries internes complexes.

En microfluidique, par exemple, il est possible d’imprimer en 3D une structure en silicone contenant de minuscules canaux interconnectés – une prouesse qui ne serait pas possible avec le moulage par injection.

Range of silicone 3D printed parts

Quelques unes des impressions 3D en silicone produites par ACEO.
Source : ACEO

Les limites de l'impression 3D de silicone

Choix limité

Seulement une poignée de fabricants d’imprimantes 3D peuvent proposer l’impression de silicone en 3D. Ainsi, les prix sont encore relativement élevés, et peu de matériaux siliconés ont été développés pour l’instant.

Besoin d’agents de durcissement

La plupart des quelques fabricants d’imprimantes 3D de silicone utilisent des procédés qui impliquent l’ajout d’agents de durcissement au silicone liquide. Ces additifs peuvent modifier les propriétés du silicone et le rendre moins qualitatif.

Cela dit, ces silicones modifiés possèdent tout de même de nombreuses propriétés positives et conviennent à un large éventail d’industries et cas d’utilisation. Les particules indésirables peuvent aussi être partiellement éliminées par des techniques de post-traitement (la recuisson, par exemple).

Limitations structurelles

L’impression 3D de silicone peut permettre de réaliser des géométries plus ou moins complexes, à condition de pouvoir imprimer du matériau de support. Le silicone, de par sa nature liquide et pâteuse, est en effet difficile à imprimer.

Il lui faut obligatoirement des structures de support dès la moindre géométrie, contrairement aux filaments plastiques qui offrent plus de liberté (angles à 45°, petits ponts, …).

Sans matériau ou structure de support, une imprimante 3D de silicone ne pourra créer que de simples objets à faces planes, avec peu de détails ou géométries complexes. Les technologies d’impression 3D de silicone à base de stéréolithographie règlent en (petite) partie ce problème, mais les résines contiennent plus d’agents de durcissement UV.

Comment ça marche ?

Le silicone, avec sa viscosité élevée et sa forte résistance à la chaleur, est peu pratique pour les technologies de fabrication additive existantes, ce qui a conduit les fabricants à développer de nouvelles méthodes et solutions.

Différentes approches existent, mais la plupart suivent un processus en deux ou trois étapes, impliquant le dépôt du matériau, le durcissement ou la vulcanisation, et le post-traitement.

1. Dépôt du matériau

Les technologies d’impression 3D courantes comme le FFF (dépôt de filament fondu) ou le Material Jetting (jet de matière) utilisent des têtes-outils pour sélectivement déposer du matériau en 2D, couche par couche horizontale. Bien que le silicone ne puisse pas être fondu et extrudé comme en FFF, certains procédés d’impression 3D silicone utilisent également le dépôt.

Lynxter machine 3D printing silicone

Une tête d’impression développée par Lynxter, qui imprime du silicone en 3D.
Source : Silinnov

2. Durcissement ou vulcanisation

Avant d’être durci, le caoutchouc de silicone prend la forme d’un liquide ou d’un gel. C’est un matériau facile à manipuler mais peu pratique pour l’impression 3D. En effet, le LSR imprimé en 3D doit être durci, vulcanisé ou catalysé – des processus chimiques qui forment des réticulations dans la chaîne polymère – après chaque couche.

Certaines imprimantes sont dotées de lumière UV ou d’une source de chaleur pour cette étape, tandis que d’autres impriment du siliconesEVF (élastomère vulcanisable à froid) qui se durcit en réaction à un catalyseur ou autre substance.

3. Post-traitement

Réalisés couche par couche, le durcissement, la vulcanisation ou la catalyse solidifient le silicone imprimé suffisamment pour permettre l’impression de la couche suivante par dessus. Cependant, cela ne suffit pas pour pour obtenir une pièce complètement finie.

Après avoir été retirée du plateau d’impression, la pièce en silicone est généralement soumise à un processus de post-durcissement plus long (dans un four dédié, par exemple). Ce post-durcissement provoque des réactions chimiques supplémentaires dans la pièce en silicone et élimine les particules indésirables.

Les pièces peuvent également devoir être lavées pour enlever le matériau de support, surtout avec les procédés d’impression à base de résine, ou être soumises à d’autres techniques de post-traitement.

Types d'imprimantes 3D de silicone

Dépôt de matière

Le LSR peut être déposé en gouttelettes sur un plateau. Il s’agit de la technique mise au point par ACEO, filiale du groupe allemand Wacker Chemie, qui a marqué le début de l’impression 3D directe de silicone en 2016.

Leur procédé consiste à « déposer des voxels de silicone sur une plateforme » qui « se confondent en une surface homogène ». La surface ou couche est ensuite durcie grâce à une source de lumière UV, et les structures de support maintiennent les différentes géométries au fil de l’impression.

Une fois complétée, la pièce doit être lavée puis soumise à une certaine température afin « d’éliminer les particules volatiles et obtenir les propriétés mécaniques finales ».

D’autres machines utilisent une tête d’impression de type extrusion pour déposer des silicones monocomposants (RTV-1) ou bicomposants (RTV-2) sans qu’il soit nécessaire de recourir au durcissement par UV. Les silicones RTV-1 ont besoin d’un catalyseur et d’humidité pour vulcaniser, tandis que les silicones RTV-2 vulcanisent lorsque leurs deux composants séparés sont mélangés ensemble, ce qui est possible avec une double tête d’impression.

Le dépôt de silicone pure est possible, bien qu’il y ait très peu d’options sur le marché.

Pour finir, certaines imprimantes de silicone d’entrée de gamme déposent du silicone liquide dans les espaces d’une matrice solide, similaire à la technologie de bio-impression 3D.

Photopolymérisation

L’impression 3D à base de photopolymérisation ou stéréolithographie permet d’imprimer de nombreux matériaux, allant des plastiques simples à la céramique, à la fibre de carbone et même au métal. Aujourd’hui, le silicone fait aussi partie des matériaux compatibles pour certaines technologies d’impression 3D résine.

Le procédé CLIP de Carbon ressemble à la technologie DLP, en durcissant les pièces dans une cuve de résine liquide grâce à une source de lumière UV. Carbon se différencie cependant avec sa « continuous liquid interface » qui créé une zone non durcissable entre la pièce et la lumière projetée, permettant de plus facilement imprimer des matériaux souples comme le silicone.

Spectroplast, un prestataire de service d’impression 3D de silicone, décrit leur propre technologie SAM (« Silicone Additive Manufacturing ») comme similaire au SLA et au DLP également.

Les pièces en silicone ayant été imprimées en 3D par photopolymérisation sont d’abord lavées puis recuites pour former des réticulations et augmenter leur résistance.

Autre

La start-up française 3Deus Dynamics travaille sur un tout nouveau type de procédé d’impression 3D en silicone appelé Dynamic Molding Technology. Pour faire simple, cette méthode consiste à déposer du silicone pur dans un volume statique de poudre.

La tête d’impression plonge dans la poudre, injectant du silicone – ou tout autre matériau compatible avec les techniques de moulage par injection – au fur et à mesure de son déplacement pour « dessiner » les couches de l’objet. L’objet à imprimer est entièrement entouré de poudre à tout moment, ne nécessitant aucune structure de support (tout comme les imprimantes 3D SLS).

Industries et cas d'usage pour le silicone imprimé en 3D

L’impression 3D de silicone trouve déjà sa place au sein de nombreuses industries.

Médical

Les silicones de qualité médicale sont un élément de base de l’industrie de la santé. Ils sont déjà utilisés pour fabriquer des articles comme des implants, des tubes d’alimentation, des cathéters, des masques respiratoires, des appareils auditifs et autres dispositifs.

L’impression du silicone en 3D présente un fort intérêt et potentiel dans la personnalisation des objets en fonction des patients et des diagnostics.

Après avoir obtenu les détails anatomiques d’un patient, les professionnels de la santé peuvent fabriquer des dispositifs uniques, comme des implants ou prothèses en silicone, qui sont parfaitement adaptés au corps ou au visage du patient. Cela ne serait pas réalisable avec le moulage par injection.

Le silicone peut également être utilisé pour des articles tels que les tubes médicaux imprimés en 3D – pour l’alimentation ou les systèmes respiratoires, par exemple – avec des canaux internes complexes, ou pour des pansements imprimés en 3D.

Dentaire

L’impression 3D est largement utilisée dans l’industrie dentaire, permettant de produire des guides chirurgicaux, des moulages et même des prothèses dentaires. Toutefois, la plupart des résines photosensibles produisent des pièces dures.

Ainsi, les silicones peuvent être utilisés pour créer des pièces souples comme des modèles de gencives, ce qui permet aux techniciens dentaires de recréer la bouche d’un patient de manière beaucoup plus réaliste et de créer des appareils dentaires plus précis.

3D printed silicone gum model
Modèle de gencive en silicone imprimé en 3D.
Source : ACEO

Électronique

En raison de ses propriétés isolantes, le silicone est souvent utilisé pour créer des boîtiers pour les produits électroniques. Ce matériau peut réduire les vibrations afin de protéger les composants délicats, et il est privilégié par rapport aux plastiques moins chers lorsque le produit est soumis à des variations de température importantes.

« Soft robotics »

Le domaine de la « soft » robotique se concentre sur la création de composants robotiques qui imitent les organismes vivants, en ajoutant des composants flexibles adaptés, par exemple, aux robots médicaux ou aux pinces industrielles qui n’endommageront pas les objets qu’ils saisissent.

Les ingénieurs en robotique peuvent imprimer du silicone en 3D pour créer leurs prototypes, outils, ou pièces d’utilisation finale. Le silicone est un bon isolant électrique et, avec sa résistance aux températures, est adapté aux environnements industriels.

Les dispositifs robotiques souples sont souvent développés dans un cadre de recherche (professionnel, scientifique ou universitaire), et les imprimantes 3D répondent au besoin de fabriquer des objets expérimentaux uniques.

Industriel

L’impression 3D de silicone a plusieurs applications dans l’industrie, notamment la création de joints d’étanchéité.

Bien que les joints soient souvent fabriqués en grandes quantités par moulage par injection, l’impression 3D permet aux fabricants de prototyper et de tester différentes itérations de ces pièces afin de garantir de bonnes performances. Les joints en silicone peuvent être imprimés rapidement et à moindre coût, ce qui réduit le délai de mise sur le marché pour le fabricant.

Les joints en silicone sont également importants pour d’autres industries, notamment l’automobile, l’aéronautique et l’aérospatial.

Prestataires de services d'impression 3D de silicone

Le matériel d’impression 3D de silicone peut coûter plusieurs dizaines de milliers d’euros, et est donc principalement limité aux chercheurs et aux grandes entreprises – si tant est qu’il soit disponible à l’achat.

Toutefois, les particuliers et les petites entreprises peuvent télécharger leurs modèles CAO et commander des pièces imprimées en silicone par l’intermédiaire d’un service d’impression 3D en silicone.

Voici quelques uns des prestataires d’impression 3D silicone les plus connus :

  • ACEO, basé en Allemagne, est une branche du groupe Wacker Chemie. Il s’agit de l’un des premiers à avoir développé un procédé d’impression 3D de silicone, et les pièces peuvent faire jusqu’à 200 cm2.
  • Spectroplast, basé en Suisse, utilise un procédé d’impression 3D silicone à base de stéréolithographie. Spectroplast est spécialisé dans les pièces médicales et biocompatibles.
  • Silinnov, basé en France, imprime ses pièces en silicone avec des imprimantes 3D Lynxter.

L'impression 3D de moules pour silicone

Avant que la technologie d’impression 3D directe de silicone ne fasse son apparition, il était déjà possible de fabriquer des pièces en silicone grâce, indirectement, à l’impression 3D. En effet, il est possible d’imprimer des moules en plastique puis de les injecter ou remplir de silicone liquide.

Cette approche est plus accessible que l’impression 3D de silicone directe, bien qu’elle soit plus lente dans la mesure où elle nécessite plusieurs étapes.

Pour créer un moule, le modèle CAO de la pièce doit être inversée et ajustée pour former un récipient dans lequel le silicone liquide peut s’écouler. Un moule nécessite généralement un plan de joint (ligne de séparation), des trous de serrage, des points d’injection, et bien d’autres éléments selon le type de pièce à produire.

Un matériau d’impression 3D résistant à la chaleur comme l’ABS doit être utilisé pour créer le moule, car il devra résister au processus de durcissement qui s’effectue à environ 70°C. Une fois le moule imprimé et prêt à l’utilisation, un agent de démoulage (souvent sous forme de spray) est appliqué sur les faces intérieures. Le silicone liquide peut ensuite être versé dans le moule, formant la pièce solide après environ une heure et demie.

Le silicone peut aussi lui-même être utilisé comme matériau pour créer des moules. Un premier moule en plastique doit être créé pour fabriquer un deuxième moule en silicone qui servira à produire les pièces souhaitées. La flexibilité du silicone permet de facilement démouler les pièces produites.

Dans l’image ci-dessous, on retrouve le premier moule de référence (gris) et la pièce à produire (rouge) sur et autour de laquelle le silicone (bleu) est coulé.

Making a silicone mold with a 3D printed master
Réalisation d’un moule en silicone à partir d’un moule en plastique.
Source : Makerbot

FAQ

Combien coûte une imprimante 3D de silicone ?

La plupart des imprimantes 3D spécialement conçues pour le silicone peuvent coûter plus de 30 000 €. Certaines coûtent même plus de 150 000 €. D’autres, comme l’imprimante 3D ACEO, ne sont pas disponibles à l’achat.

L’impression 3D de pièces en silicone revient-elle moins chère que le moulage par injection ?

Spectroplast, prestataire de service d’impression 3D silicone, estime que la fabrication additive de silicone est moins chère pour des quantités de production allant jusqu’à environ 6000 unités, après quoi le moulage par injection devient plus rentable.

3D printing silicone vs silicone injection molding by Spectroplast

Un comparatif des coûts entre le silicone imprimé en 3D et le silicone formé en moulage par injection.
Source : Spectroplast


À propos de l'auteur

Benedict O'Neill

Benedict O'Neill travaille depuis 2015 dans le secteur de la fabrication additive, pour des fabricants et des médias (3Ders, 3D Printing Media Network). Il a obtenu sa licence au King's College de Londres en 2013 et son master à l'université d'Amsterdam en 2015. Benedict vit au Canada et est collaborateur chez Aniwaa depuis début 2020, et travaille en freelance pour 3DPMN.