Les plastiques : usinage, moulage, impression 3D

Les matières plastiques utilisées pour construire des pièces mécaniques ou des modèles réduits sont de nature ou de composition variées qui leur confèrent des propriétés très différentes : solidité, flexibilité, porosité, friabilité, cassures... sans parler du comportement à long terme (hydrolyse, oxydation, changement de couleur ou d’opacité).

Dans tous les cas, cela reste essentiellement des produits de l’industrie chimique et ils présentent une nocivité qu’il faut prendre en compte, ainsi qu’un impact écologique certain dans leur fabrication et dans leur recyclage.

Ce tableau récapitulatif ne présente que des matériaux que nous pouvons utiliser selon différents modes de travail pour produire des pièces. Il concerne donc un usage strictement amateur, sans prendre en compte les usages professionnels avec des machines qui peuvent traiter n’importe quel matériau.

Les points d’interrogation indiquent que nous n’avons pas encore testé ou validé ce mode d’exploitation : les usages possibles en robotique ludique ne sont pas forcément ceux de l’industrie, en partie en ce qui concerne l’injection et l’extrusion. Notre objectif n’est pas d’être exhaustif sur la liste des plastiques ou toutes les possibilités, mais de rendre compte de notre expérience et de ce qui se présente dans une activité de loisir.

Noms d’usage et noms exacts

On utilise dans ce tableau le nom d’usage lors de nos ateliers et de nos discussions.

C’est parfois le sigle (ABS), parfois le nom exact (polycarbonate), parfois la marque la plus répandue (Plexiglas). Parfois deux usages sont équivalents : beaucoup d’entre-nous appellent le polystyrène expansé du "Depron" qui est un de ses noms commerciaux. Quand le nom commercial est utilisé, c’est souvent que le nom exact est peu répandu (PMMA ou polyméthacrylate de méthyle acrylique) dans le secteur des loisirs.

Ces habitudes de nommage sont parfois contraires à l’usage industriel : si le POM ne vous dit rien, mais que vous avez vu sur les catalogues de pièces (engrenages) le nom commercial "Delrin", à l’inverse des entreprises d’usinage plastique qui proposent le POM.

Le PVC

Le polychlorure de vinyle est un polymère composé de sel et de pétrole. C’est surtout le grand ami de nos maisons puisqu’il est utilisé pour les canalisations et pour les fenêtres.

Pour construire des robots, il est très pratique : il se découpe vite et bien avec des outils mécaniques (scie, fraiseuse, perceuse), et surtout on peut le coller facilement.

Par contre, il ne faut pas le chauffer : il dégage du chlore (acide chlorhydrique), ce qui le met hors de course pour les machines à découpe laser par exemple, et pour l’extrusion / injection avec des outils amateurs.

Comment savoir si une chute de plastique est en PVC ? Sortez votre briquet et faites le brûler (dans un endroit aéré et loin de vous) : si la flamme est verte, c’en est !

L’ABS

A comme acrylique, S comme styrène (comme le poly-). Le nom complet ne nous apprend pas grand chose, mais ce plastique n’a pas besoin d’être présenté : quand vous étiez petit, vous jouiez aux Lego [1] ? Puis vous avez appris l’informatique sur un Apple II, ou fait quelques parties avec une SuperNES ? C’est lui.

Ces quelques exemples vous illustrent ses qualités : solide, léger, facile à mettre en forme. Il a de plus un aspect de grande qualité (ok, il vieillit peut être un peu mal) ce qui en fait le plastique de choix pour les imprimantes 3D.

Bien qu’on puisse le travailler (qui n’a pas découpé une pièce de Lego ?), il reste cassant et ne se prête pas à de l’usinage. De même, la pression nécessaire pour le thermoformage ne le prête pas à un usage amateur.

La résine PU

Le polyuréthane ou PU est utilisé pour le moulage sous forme d’une résine liquide. L’ajout d’un durcisseur permet de le solidifier.

• Voir notre article sur le moulage.
• Voir notre fournisseur de résines (livraisons en France).

C’est un produit toxique et inflammable, à manipuler et stocker avec soin. On le trouve cependant sous différentes formes partout autour de nous, de la mousse isolante des habitations jusqu’aux roues des planches à roulettes.

Il est très résistant, ce qui fait qu’il est utilisé comme doublure de plateau pour les camions pick-up. Un épisode de la saison 11 de Mythbusters l’a testé dans plusieurs conditions extrêmes.

Le polyéthylène extrudé

Le PE est un plastique bon marché, que l’on trouve souvent dans des emballages, sacs, etc... Très peu adapté à la fabrication de pièces mécaniques pour la robotique, mais il existe des panneaux de mousse PE extrudé qui sont légères et résistantes.

Il y a un bon exemple d’utilisation en robotique de ce matériau, ce sont les pattes de Moumoute, le robot de Mr. Dus que nous avons rencontré lors des compétitions (équipe ENAC) :

Le polystyrène extrudé

C’est bien un matériau plastique mais sa fragilité pourrait faire penser le contraire, si on s’arrête à l’idée d’un matériau dur.

On l’utilise donc exclusivement pour de l’usinage, par exemple pour réaliser un moule ou un prototype qui ne subit pas d’effort mécanique.

A ne pas confondre avec le polystyrène expansé, composé de petites billes renfermant 98% d’air.

Le plexiglas

Parfois mentionné comme PMMA par les vendeurs et les industriels, il s’agit du plastique transparent le plus courant dans notre domaine. Cependant, il existe en diffusant et en opaque, dans diverses couleurs.

Très cassant lorsqu’il est découpé ou scié, il est également sensible à la chaleur, ce qui rend délicat son perçage (nécessité de refroidir et d’utiliser la bonne vitesse de rotation du forêt) et son fraisage : en plus de la vitesse de rotation de la fraise, il faut avancer à une allure précise pour laisser une surface et une finition homogène sur toute la pièce.

Le polycarbonate

C’est un matériau transparent mais à voir s’il n’existe pas en diffusant ou en opaque, semblable au Plexiglas (PMMA). Il a la particularité d’être beaucoup plus résistant. Il est en outre dificilement inflammable.

Il est utilisé, entre autres choses, pour remplacer le verre dans les véhicule de compétition (gain de poids) - connu alors sous le nom de Lexan, un des fabricants - et pour le blindage des vitres sur certains véhicules, pour faire des hublots sur certains sous-marins, pour des boucliers ou visières chez les forces spéciales et pour la réalisation de carters de protection sur des machines outils.

Le polycarbonate se travaille très bien à la CNC, et même mieux que le PMMA puisqu’il a beaucoup moins tendance à fondre lors de l’usinage que ce dernier.

Un petit bémol : c’est plus cher que le PMMA.

Le PA6 ou Nylon

Ce matériau polyamide est difficile à usiner à la CNC car les copeaux ont rapidement tendance à fondre. Les pinces du robot 2011 ont été usinées dans cette matière.

C’est un plastique très solide, utilisé pour réaliser des engrenages ou autres pièces mécaniques en remplacement de l’aluminium. On peut même en trouvé sous forme composite, renforcé avec une fibre de verre.