Les matériaux biodégradables et biosourcés en impression 3D

L’impression 3D a révolutionné de nombreux domaines, offrant une flexibilité de conception sans précédent et des possibilités de fabrication innovantes. Cependant, les préoccupations concernant l’impact environnemental des matériaux plastiques traditionnels croissent rapidement. Pour répondre à ces défis, l’industrie de l’impression 3D se tourne de plus en plus vers des alternatives durables et respectueuses de l’environnement.

Dans cet article, nous creuserons la question des matériaux biodégradables et biosourcés en impression 3D. De la définition de ces termes à l’exploration des avantages et des défis associés à leur utilisation, nous découvrirons comment ces matériaux innovants ont déjà pris leur place dans la fabrication additive.

Définitions

Le terme « biossourcé » fait référence à des matériaux dérivés de sources biologiques renouvelables telles que les plantes, les algues ou d’autres organismes vivants. Ces matériaux sont souvent utilisés comme alternatives aux ressources non renouvelables dans le but de réduire l’empreinte écologique des produits et processus industriels. Par exemple, une isolation en laine de bois ou un vêtement en coton peuvent être qualifiés de “bio-sourcés”.

Le terme « biodégradable » désigne la capacité d’un matériau à être décomposé naturellement par des micro-organismes présents dans l’environnement, tels que des bactéries ou des champignons. Cela signifie que le matériau peut se décomposer en substances plus simples et non toxiques, contribuant ainsi à réduire son impact sur l’environnement. Par exemple, un trognon de pomme, du bois non traité ou encore de la paille sont biodégradables.

Ces deux termes ont en commun le préfixe “bio” qui fait référence au vivant mais comme nous venons de le voir, leur fonction est très différente.

Une autre définition est nécessaire, celle de “compostable”. Selon la norme européenne EN13432, un polymère ou un emballage est considéré comme « compostable » s’il est transformé en au moins 90% de CO2 par des micro-organismes dans une usine de compostage industrielle en 6 mois. A cela s’ajoute que la part des additifs inoffensifs qu’il contient ne doit pas dépasser pas 1% de sa masse initiale. Inoffensif signifie non toxiques, avec aucun effet négatif sur la croissance des plantes. Il est important de noter que tous les produits compostables sont également biodégradables, mais l’inverse n’est pas nécessairement vrai.

Exemples dans l’impression 3D

Dans l’impression 3D par dépôt de fil fondu (FDM), deux matériaux sont considérés comme biosourcés et compostables: le PLA et le PHA

Le PLA, ou acide polylactique, est un polymère biodégradable dérivé de ressources végétales renouvelables telles que le maïs ou la canne à sucre. Il est fabriqué à partir d’un processus de fermentation qui transforme les sucres présents dans ces matières premières en acide lactique. Ensuite, l’acide lactique est polymérisé pour former des chaînes de PLA, qui peuvent être utilisées comme matériau d’impression 3D ou dans d’autres applications. C’est probablement le matériau le plus connu et le plus utilisé en impression 3D FDM, de par sa facilité d’utilisation et son faible impact environnemental.

Le PHA, ou polyhydroxyalcanoate, est un polymère biodégradable dérivé de sources biologiques : des micro-organismes. Il est fabriqué à partir de bactéries qui convertissent des substrats organiques, tels que des sucres ou des lipides, en polymères de PHA dans des conditions contrôlées de fermentation. Comme il est produit à partir de matières premières renouvelables d’origine biologique, le PHA est lui aussi considéré comme biosourcé.

Le matériau complexe adhésif pseudo-fongique, également connu sous le nom de FLAM (Fungal-Like Adhesive Material) en anglais, représente une innovation prometteuse dans le domaine de l’impression 3D. Cette matière est composée de chitine et de cellulose, deux polymères abondants sur Terre. C’est un polyvalent offre un large éventail d’applications potentielles, allant de la menuiserie à la fonderie en passant par le moulage et l’impression 3D. Malgré ses propriétés mécaniques similaires à celles de la mousse de polyuréthane, le FLAM est encore en phase de développement et n’est pas encore disponible sur le marché.

Ces plastiques sont biodégradables dans des conditions de compostage industrielles. Cela signifie que s’ils sont simplement laissés sur le sol ou si l’on essaye de les composter chez soi en tant que particulier, le matériau pourrait mettre beaucoup plus de temps à se dégrader, voire ne pas se dégrader du tout. 

Note : Contrairement au PLA, le PETG n’est pas biosourcé par exemple, car il est produit à partir de sources non renouvelables telles que le pétrole brut.

Les composites

Beaucoup de filaments peuvent porter une mention “biosourcé” s’il contiennent des éléments qui le sont. En effet, des matrices polymères peuvent facilement accueillir des poudres qui offriront de nouvelles caractéristiques au produit. Un tel « mélange » s’appelle un composite. Il existe notamment des filaments formés d’un mélange de PLA (le polymère formant la matrice), et de poudres d’origines végétales ou animales, comme par exemple : 

Les coquilles d’huitres

La poudre de lin

Le marc de café

Les drêches de bière (résidus de malt post-brassage)

La sciure de bois

Les résidus de blé (co-produits agricoles)

Les algues

Le chanvre

En général, les proportions minimales d’inclusions se situent autour de 10% et peuvent aller jusqu’à environ 50% en masse. Cependant, ces valeurs peuvent varier en fonction des propriétés spécifiques recherchées, de la compatibilité des matériaux et des exigences de l’impression.

Il existe bien d’autres inclusions possibles, d’origine naturelle également, comme l’ardoise. Néanmoins, ces matériaux ne peuvent être qualifiés de “biosourcés” car ils ne sont pas extraits du vivant. L’ardoise entre dans la catégorie minérale.

 

A notre connaissance et à la date de publication de cet article, il n’existe pas de matériau utilisé en impression 3D SLA vendu dans le commerce. La présence de solvants et les contraintes de cette technologie ralentissent probablement le développement de nouveaux polymères.

Avantage / inconvénients

Avantages

Durabilité environnementale : Ces filaments sont fabriqués à partir de ressources renouvelables, ce qui réduit la dépendance aux combustibles fossiles et contribue à la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

Biodégradabilité : Une fois utilisés, ces filaments peuvent se dégrader naturellement dans des environnements appropriés, réduisant ainsi l’accumulation de déchets plastiques et la pollution.

Polyvalence : Ils offrent une alternative écologique pour diverses applications d’impression 3D, allant des prototypes aux produits finaux, en passant par les emballages. Par exemple, l’ENSIASET à Toulouse a développé un pot biodégradable pour les semis. Ce dernier peut être directement déposé en terre lorsque la plante est robuste et se dégradera naturellement et sans trace.

Esthétisme : Les aspects de surface, la palette de couleurs et le rendu final que proposent ces matériaux élargissent encore la large gamme du marché des filaments. Ils sont encore très minoritaires à la vente mais l’offre pourrait s’étoffer à mesure que de nouvelles formules sont découvertes.  

 

Inconvénients

Coût : Les filaments biosourcés et biodégradables peuvent être plus coûteux à produire en raison des procédés de fabrication et des matériaux utilisés. Le cas échéant, cela peut entraîner un prix plus élevé pour les consommateurs.

Performance : Certains de ces filaments peuvent avoir des propriétés mécaniques et une stabilité dimensionnelle inférieures par rapport aux plastiques traditionnels, ce qui peut limiter leur utilisation dans certaines applications exigeantes.

Paramètres d’impression : L’inclusion de matériaux peut induire une modification du comportement de la matrice et donc demander une adaptation à l’utilisateur. Il pourrait parfois y avoir besoin de plusieurs essais avant d’imprimer correctement. 

CONCLUSION

L’utilisation de matériaux biosourcés et/ou biodégradables dans le domaine de la fabrication additive ouvre la voie à des pratiques plus durables et respectueuses de l’environnement. Ces matériaux offrent la possibilité de réduire l’empreinte écologique de cette technologie en utilisant des ressources renouvelables et en limitant la quantité de déchets générés.

Néanmoins, comme nous l’avons vu, il faut garder un regard critique sur les termes employés et ce qu’ils impliquent. Un matériau biosourcé n’est pas forcément biodégradable ou compostable. Par exemple l’éthanol, un biocarburant produit à partir de matières premières végétales telles que la canne à sucre ou le maïs, ne se décompose pas facilement dans l’environnement. Il est important de comprendre que même si les matériaux cités ci-dessus (et d’autres qui n’ont pas été évoqués) disposent de la mention “biodégradable” ou “compostable”, il n’est pas nécessairement souhaitable de s’en débarrasser n’importe comment.

Une fois ces éléments techniques et sémantiques assimilés, vous pouvez vous aussi participer à la transition de l’impression 3D vers une économie circulaire et durable.

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