Comment choisir un plastique thermo-résistant
Vos pièces en plastique ont besoin de chaleur ? Voici huit polymères haute température à découvrir
S'il vous est déjà arrivé de laisser un récipient au micro-ondes un peu trop longtemps, vous vous êtes rendu compte que certains plastiques ne supportent pas très bien la chaleur. Selon l'âge et le type de récipient, vous conservez les restes de votre dîner de la veille dans du polypropylène (PP), du polycarbonate (PC) ou du polyéthylène (PE), des matières faiblement résistantes à la chaleur. Le polypropylène par exemple, commence à perdre sa résistance à partir de 82 °C. Le polyéthylène s'en sort un peu mieux à 130 °C, mais même le polycarbonate dit « haute température » ne supporte pas plus de 140 °C.
Chaud, c'est chaud : qu'est-ce qu'un plastique thermo-résistant ?
Comme mis en évidence par le symbole du micro-ondes gravé au dos de ces récipients, chacun des polymères mentionnés ci-haut peut clairement servir à réchauffer vos restes. Mais pour des applications à haute température, il vous faut quelque chose de plus résistant. Mais qu'est-ce que cela veut dire, plus exactement ? En d'autres termes, qu'est-ce qu'une haute température ? La réponse exacte dépend des exigences de l'application, mais pour les besoins de ce conseil de conception, nous allons définir une haute température comme étant supérieure à 175 °C.
Profitons-en pour préciser également que, dans la plupart des cas, nous parlons de température de travail, pas de celle requise pour liquéfier ou cristalliser le polymère. Ce sujet est traité dans un autre article sur notre site. Nous ne parlons pas non plus des propriétés ignifuges du polymère. Comme vous le verrez, cet attribut important n'a que très peu de rapport avec la thermo-résistance du polymère.
Prenons par exemple l'acrylonitrile butadiène styrène, un plastique courant également connu sous le nom d'ABS. Chouchou des plombiers et des fabricants de jouets du monde entier, l'ABS a une température de ramollissement Vicat (la température à laquelle une matière perd sa « forme de stabilité ») d'environ 104 °C et une température de déformation à la chaleur de tout juste 94 °C. Par l'adjonction d'un composé halogéné biologique ou d'un autre composant retardateur de flamme, ces valeurs chutent sensiblement, bien que la matière soit moins susceptible de s'enflammer.
Le Téflon® « fait mieux les choses »
Le PFTE est couramment utilisé comme enduit pour les tapis et les vêtements, mais du fait de son faible coefficient de friction, il constitue également un excellent choix pour les composants tels que les supports de palier et les boitiers. Le PTFE est relativement tendre, donc facile à usiner mais sa stabilité dimensionnelle est plus faible du fait de son expansion thermique. Il ne s'écoule pas lorsqu'il est chauffé au delà de son point de fusion à 327 °C et ne peut donc pas être utilisé pour le moulage par injection plastique ou l'impression 3D.
Un PEEK de performance
Un thermoplastique thermo-résistant qui est à la fois usinable et adapté au moulage par injection est le polyétheréthercétone, ou PEEK. Avec un point de fusion proche de celui du PTFE, le PEEK conserve ses propriétés mécaniques (qui sont excellentes) à des températures de 250 °C ou plus (jusqu'à 300 °C pour de courtes périodes). Il est également résistant aux radiations, aux agressions chimiques et à l'hydrolyse. Cette dernière propriété implique que le PEEK peut être stérilisé en autoclave, ce qui en fait un favori de l'industrie médicale qui l'utilise pour des implants vertébraux et les appareils de fixation. Ces mêmes propriétés en font un polymère de qualité alimentaire.
Le PEEK ayant une bonne rigidité diélectrique, il est couramment utilisé comme isolant électrique dans les applications de semiconducteurs. Il n'est pas aussi « glissant » que le PTFE mais a quand même un coefficient de friction faible et il est très résistant à l'usure. Il est largement utilisé dans l'industrie automobile pour des joints d'isolation, des bagues d'usure et des surfaces de roulements à billes. Et grâce à son rapport résistance/poids élevé et à d'autres attributs physiques, le PEEK remplace souvent les alliages de métaux dans différents composants aéronautiques (avec une densité de 1,32 il est 5 fois plus léger que l'acier (8) et plus de deux fois plus léger que la plupart des alliages d'aluminium (3). Comme le PTFE, le PEEK est vraiment une matière miraculeuse…
Les autres polymères haute température
Le polysulfure de phénylène (PPS) en fait également partie. Bien qu'il ne puisse pas rivaliser avec le PEEK et le PTFE en termes de capacités thermiques, il offre quand même une température de travail respectable de 220 °C. Connu dans les secteurs de l'automobile et de l'électricité sous le nom de Ryton®, ce thermoplastique offre une bonne combinaison de résistance à la corrosion, de résistance mécanique et des propriétés diélectriques. Il s'écoule sans problème lors des opérations de moulage par injection et ne présente qu'un faible taux de retrait, ce qui en fait un bon candidat pour les connecteurs électriques de précision et autres composants similaires.
Le PPS n'est pas approprié pour les pièces usinées, mais le PPSU l'est. Le polyphénylsulfone (également connu sous le nom de Radel®) a une température de travail proche de celle du PPS et présente des propriétés mécaniques et électriques similaires. Il peut être stérilisé et très facilement usiné. Il est utilisé pour les lunettes de hublots d'avions, les poignées d'instruments chirurgicaux ou la robinetterie d'eau chaude. Répondant aux normes FDA (comme tous les autres polymères mentionnés ci-haut), il est adapté au contact direct avec les aliments.
Citons également le polyétherimide (PEI), également connu sous le nom d'Ultem. Le PEI convient à l'usinage et au moulage par injection. Il est disponible dans une gamme de niveaux de charge verre (GF). Avec une température de travail continue maximale de 171 °C, l'Ultem n'est pas réellement compatible avec la cuisson biscuit, mais il n'en demeure pas moins un excellent polymère polyvalent pour les applications nécessitant rigidité, résistance à la flamme et aux solvants et propriétés diélectriques .
Qu'en est-il des matières thermorésistantes pour l'impression 3D ?
Parmi les autres polymères haute température notables, citons le Vectra, un type de polymère cristallin liquide (LCP) approprié au moulage par injection et fréquemment utilisé dans le secteur des SMT (technique de montage en surface). Il offre d'excellentes propriétés de fluidité, permet de produire des pièces aux parois très fines, et résiste à des températures de travail allant jusqu'à 240 °C. Il y a également le PC/PBT, un mélange de polycarbonate et de polybutylène téréphthalate pouvant résister à des températures allant jusqu'à 130 °C , loin derrière ses concurrents cités jusqu'ici, mais offrant toutefois un bon compromis de rigidité et de résistance aux intempéries, en particulier lorsqu'il est exposé aux basses températures (jusqu'à -40 °C).
Vous vous demandez peut-être « Et les pièces en impression 3D dans tout cela ? Quelles sont les options de matières haute température en ce qui les concerne ? » Vous avez de la chance. La principale matière est une résine similaire ceramic haute température (PerFORM) pour stéréolithographie capable de supporter des températures allant jusqu'à 268 °C après traitement facultatif post-durcissement. Elle offre aux concepteurs l'occasion de prototyper des pièces dures et rigides pour utilisation dans des applications telles que les essais en soufflerie, le moulage rapide, les boîtiers électroniques, et ainsi de suite. De même, l'Accura 5530 est une matière similaire PC haute température translucide qui offre clarté optique et bonne résistance à la chaleur. Et comme les polycarbonates utilisés pour les composants usinés ou moulés par injection plastique, l'Accura 5530 résiste à l'eau, aux agents chimiques, au feu et aux effets électriques.
Et les métaux ?
À ce stade, vous devriez avoir trouvé un plastique qui vous convient, mais si vous avez besoin de températures beaucoup plus élevées, nous avons à votre disposition une gamme de CNC (aciers inoxydables, titane) et de métaux de fabrication additive (+ Inconel® et cobalt chrome).
Critères de fabrication
Chacun des polymères de qualité technique mentionnés ici étant à la fois résistant et stable, l'analyse de fabricabilité ne pose aucun problème. Certains sont plus abrasifs que d'autres, et le technicien devra utiliser des mèches en carbure pour percer et fraiser. D'autres ont des températures de liquéfaction très élevées et nécessiteront quelques réglages du processus de moulage par injection plastique. Mais toutes les matières citées étant des standards Protolabs, vous recevrez des informations durant le processus de devis en ligne.
Nous vous conseillons de consulter la liste exhaustive de fiches techniques de matières disponibles sur notre site Web pour plus de détails. Avec plus de 140 polymères et 30 types d'élastomères ou de silicone liquide (LSR) disponibles (dont certains supportent des températures très élevées), vous trouverez certainement la matière idéale pour votre prochain projet. Pour toute question, n'hésitez pas à nous contacter. Nos ingénieurs d'application sont toujours disponibles pour vous aider au +33 (0)4 56 64 80 50 ou par e-mail à [email protected].