Exploration des propriétés du matériau, des méthodes de stérilisation, des applications cliniques et du procédé d'impression 3D du polyéthylène téréphtalate glycol (PETG)

Article rédigé par : Amber Jin

1.     Introduction

Le polyéthylène téréphtalate glycol (PETG) se distingue comme une déclinaison du PET modifiée par du glycol, un matériau communément reconnu pour sa présence omniprésente dans les bouteilles d'eau. Ce polyester thermoplastique offre une résistance chimique exceptionnelle, une grande durabilité et une formabilité impressionnante, ce qui en fait un choix polyvalent pour les applications de fabrication. Notamment, les faibles températures de formage du PETG facilitent les procédés de thermoformage sous vide, de formage sous pression et de cintrage à chaud (Ksawery et coll., 2017). Dans le domaine de la fabrication additive, le filament PETG s'impose comme un matériau de construction privilégié, particulièrement prisé dans le domaine des imprimantes à dépôt de fil fondu (FDM). Cet article étudie les propriétés intrinsèques du matériau qu'est le PETG, explore son rôle pivot dans les applications cliniques à travers les méthodes de stérilisation, et culmine avec une analyse des procédés d'impression de ce filament.

Figure 1. Image du filament PETG Novus.

2. Propriétés du matériau

Les propriétés d'un matériau déterminent son utilisation et ses applications. Cette section présente les propriétés du PETG sous deux angles : les propriétés mécaniques et d'autres propriétés secondaires.

2.1 Propriétés mécaniques

Selon l'expérience menée par Ksawery et coll. (2017), la série d'éprouvettes 5A de 5 mm d'épaisseur en Z-PETG et imprimées à plat présente un module de Young moyen de 5,9 GPa et un module de Young médian de 6,3 GPa. Ces valeurs témoignent de la rigidité du PETG et de sa capacité à résister aux déformations sous charge. De plus, la résistance à la traction du PETG est une propriété mécanique critique qui détermine sa résistance à la rupture sous tension (Ksawery et coll., 2017). Le PETG affiche une résistance à la traction comprise entre 55 et 75 MPa, ce qui souligne sa robustesse et sa pertinence pour des applications structurales. En outre, la résistance au choc du PETG se situe généralement entre 5 et 20 kJ/m², ce qui en fait un matériau durable pour les applications où la résistance aux impacts est essentielle. Enfin, la résistance à la flexion du PETG, qui mesure sa capacité de résistance au pliage, constitue une propriété mécanique fondamentale (Ksawery et coll., 2017). Le PETG présente généralement une résistance à la flexion de 70 à 90 MPa, illustrant son aptitude à maintenir son intégrité structurale sous l'effet de forces de flexion (Ksawery et coll., 2017).

Figure 2. Résultats des tests du module de Young sur les éprouvettes en PETG (Ksawery et coll., 2017).

En conclusion, le PETG est un thermoplastique transparent et miscible offrant une excellente résistance à la traction et de très bonnes propriétés de flexibilité. Ses caractéristiques mécaniques — notamment son module de Young, sa résistance à la traction, sa résistance au choc et sa résistance à la flexion — en font un matériau polyvalent adapté à un large éventail d'applications dans de nombreux secteurs industriels.

2.2 Autres propriétés

Après des recherches approfondies, Mercado-Colmenero et coll. (2020) ont démontré que dans les simulations numériques, le PETG produit par FFF peut être considéré comme un matériau isotrope. Les propriétés du PETG sont cruciales pour ses performances et ses applications. Le PETG est encore plus flexible et résistant à la température que l'acide polylactique (PLA). Il peut supporter des températures allant jusqu'à 75 °C, et ses qualités ne sont pas affectées par les rayons ultraviolets (Grzelak et coll., 2021). Le PETG présente également une excellente résistance chimique et une grande durabilité, ce qui le rend résistant à une large gamme de produits chimiques, notamment les acides, les bases et les solvants. Cette propriété rend le PETG adapté aux applications où l'exposition à des agents chimiques agressifs est une préoccupation, comme les conteneurs de stockage de produits chimiques et le matériel de laboratoire.

De plus, le PETG est reconnu pour son faible taux d'absorption d'humidité, ce qui contribue à sa stabilité dimensionnelle et à sa résistance aux facteurs environnementaux. Cette faible absorption d'humidité rend également le PETG adapté aux applications exigeant des conditions hygiéniques, telles que l'emballage alimentaire et les dispositifs médicaux.

En conclusion, ces caractéristiques du PETG permettent une désinfection plus aisée à l'aide de températures élevées ou d'alcools, le rendant plus adapté aux solutions médicales que d'autres matériaux couramment utilisés dans la fabrication additive médicale.

3. Stérilisation

La stérilisation des matériaux d'impression 3D peut généralement être effectuée de deux manières : 1) La stérilisation thermique à la chaleur sèche ou à la vapeur, également appelée stérilisation à la chaleur humide ou autoclave ; 2) La stérilisation à basse température au moyen de agents chimiques tels que l'oxyde d'éthylène (EtO) ou le peroxyde d'hydrogène, ou par rayonnement ionisant ou UV (Oth et coll., 2019). La stérilisation thermique conventionnelle à la vapeur à des températures égales ou supérieures à 121 °C, associées à un taux d'humidité important, peut entraîner la déformation du PETG au cours du processus de stérilisation en raison de sa faible température de fusion. Cela s'explique par le fait que les dégradations hydrolytique et thermique ont altéré l'intégrité de la matrice polymère. Le laps de temps s'écoulant entre la fabrication et l'utilisation effective d'un instrument chirurgical peut provoquer des modifications majeures de ses caractéristiques de traction et de flexion, altérant ainsi la structure globale et la fonctionnalité de l'outil (Fuentes et coll., 2022). Comparativement à la stérilisation thermique, les déformations morphologiques causées par l'EtO et le rayonnement gamma sont sous-millimétriques, ce qui signifie que leurs variations morphologiques sont inférieures à 0,2 mm. Ainsi, la méthode de stérilisation à basse température du PETG est nettement plus adaptée à un usage chirurgical (Oth et coll., 2019).

4. Applications cliniques

Le filament PETG trouve diverses applications dans le domaine clinique grâce à ses propriétés uniques. Dans le secteur médical, le PETG est couramment utilisé pour la fabrication d'équipements médicaux, de prothèses, de modèles chirurgicaux et d'autres produits liés à la santé. La biocompatibilité du PETG le rend adapté à un contact direct avec la peau et les tissus, sans provoquer de réactions indésirables ou de sensibilités.

4.1 Applications dentaires

Le PETG est fréquemment utilisé dans les applications dentaires en raison de sa biocompatibilité et de sa durabilité. Sa température de transition vitreuse (Tg​) d'environ 80 °C lui confère une manipulabilité accrue ainsi que des caractéristiques similaires à celles du verre (Bichu et coll., 2023). En orthodontie, la complémentarité des propriétés du PET et du PETG — le PET étant rigide et cristallin, tandis que le PETG est flexible et amorphe — offre une alliance optimale pour la fabrication d'appareils orthodontiques. Ces matériaux se révèlent particulièrement performants pour la réalisation d'aligneurs transparents grâce à leurs propriétés optiques qui favorisent la transmission et la réflexion de la lumière, assurant une excellente visibilité des dents tout au long du traitement, comme l'illustre la Figure 3 ci-dessous. Les recherches menées par Iijima et coll. (2015) indiquent que le PETG, représenté par le produit Duran, conserve des propriétés mécaniques stables ainsi qu'une mémoire de forme constante, même en cas de variations de température, résistant à des conditions intra-orales allant jusqu'à 57 °C. Des études complémentaires démontrent la durabilité du PETG après de nombreux cycles thermiques et un port prolongé, soulignant sa résilience et sa stabilité au sein des applications dentaires, ce qui en fait un choix fiable pour les traitements orthodontiques à long terme.

Figure 3. Conception méthodique d'aligneurs transparents par impression directe 3D (Bichu et coll., 2023).

4.2 Applications en optométrie

Le patient doit fournir des mesures précises pour la fabrication de verres correcteurs sur ordonnance. Afin d'obtenir ces mesures, des outils de mesure fiables ont été développés pour soutenir le processus de production. Les dispositifs de mesure peuvent être fabriqués par stéréolithographie, modélisation par dépôt de fil fondu (FDM), frittage laser et injection plastique. Les matériaux thermoplastiques tels que le PETG ont suscité l'attention en raison de leur capacité à produire des instruments de mesure précis pour la fabrication de verres, en particulier grâce aux récents progrès de la technologie FDM. Le PETG peut être extrudé par FDM pour déposer des couches de matériau et fabriquer ces mécanismes de mesure selon les besoins, comme l'illustre la Figure 4 ci-dessous (Constantin et coll., 2023).

Figure 4: Représentation du mécanisme général (vues de profil et en perspective isométrique) permettant d'obtenir les mesures pour la fabrication de verres.

4.3 Applications chirurgicales

L'intégration de la technologie d'impression 3D a révolutionné la fabrication rapide d'instruments chirurgicaux sur mesure, représentant une avancée prometteuse susceptible d'améliorer la capacité des médecins à répondre efficacement à la physiopathologie propre à chaque patient. L'un des principaux défis liés à l'utilisation du PETG pour la fabrication d'outils chirurgicaux réside dans la vulnérabilité de sa matrice polymère à la dégradation lorsqu'elle est soumise à la chaleur humide lors de la procédure de stérilisation (Fuentes et coll., 2022). Le recours prédominant aux méthodes traditionnelles de stérilisation par la majorité des acteurs limite l'adoption généralisée du PETG en milieu chirurgical. Par conséquent, l'attention s'est progressivement portée sur le développement d'instruments chirurgicaux jetables en tant qu'alternative viable.

4.4 Applications prothétiques

Bien que les prothèses myoélectriques actuelles soient onéreuses, il reste difficile pour les modèles mécaniques d'offrir une mobilité et une flexibilité équivalentes. Les prothèses mécaniques imprimées en 3D apportent une nouvelle solution à ce problème, pouvant être conçues et personnalisées pour chaque patient. De surcroît, le matériau doit être léger, facile à porter et bien toléré lors du contact direct avec la peau. Après comparaison du coût, de la polyvalence, de la durabilité et de la résistance mécanique de différents filaments d'impression 3D, le PETG a démontré une résistance mécanique supérieure lui permettant de supporter des charges et des forces importantes, tout en offrant un coût inférieur et une meilleure disponibilité (Desai et coll., 2021). Le PETG peut également être combiné à d'autres matériaux pour améliorer ses propriétés. Par exemple, un matériau composite à matrice PETG renforcée de fibres de carbone (PETG-CF15) s'est avéré permettre une conception à topologie optimisée alliant résistance à la compression et mobilité dans les zones critiques, conduisant à la réalisation d'une orthèse personnalisée pour une orthèse cheville-pied expérimentale, comme l'illustre la Figure 5 ci-dessous (Steck et coll., 2023).

Figure 5. Attelle de jambe en PETG-CF15 à topologie optimisée : (a) vue en perspective ; (b) port au niveau du pied (Steck et coll., 2023).

5. Propriétés d'impression 3D

Dans le domaine de l'impression 3D, le filament PETG s'impose comme un choix de premier ordre, se distinguant par un ensemble de propriétés uniques essentielles au bon déroulement des procédés d'impression. Notamment, le PETG présente une résistance chimique et une résistance aux impacts exceptionnelles, garantissant la durabilité des objets imprimés dans diverses applications. Sa stabilité thermique remarquable améliore encore ses capacités d'impression, garantissant des performances constantes tout au long du processus. De plus, le PETG est reconnu comme un matériau apte au contact alimentaire, ce qui élargit son champ d'utilisation à travers de nombreuses industries (Trhlíková et coll., 2016). En outre, avec une plage de températures d'extrusion comprise entre 220 et 260 °C, le PETG offre un profil thermique précis, idéal pour obtenir des impressions de haute qualité. Utilisé à une vitesse d'impression modérée d'environ 40 à 60 mm/s, le PETG établit un juste équilibre entre efficacité et qualité d'impression. Afin de prévenir les phénomènes de gauchissement (warping), il est essentiel de maintenir la température du plateau d'impression aux alentours de 80 °C, dépasser ce seuil pouvant nuire à la qualité finale de la pièce en raison de sa température de fusion peu élevée (Trhlíková et coll., 2016). Ces propriétés inhérentes font du PETG un choix de filament polyvalent et fiable dans le secteur de l'impression 3D, répondant à un large éventail de besoins avec des résultats constants en matière de performances et de qualité.

Le PETG s'impose comme un matériau de choix pour l'impression 3D en raison de ses atouts remarquables, notamment sa haute résistance aux chocs, l'absence d'odeur lors des émissions et une stabilité thermique appréciable. Malgré ces qualités, le PETG présente certains inconvénients en comparaison avec d'autres filaments, comme l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS). Une limitation majeure réside dans la forte hygroscopicité du PETG, ce qui rend son stockage adéquat complexe. De plus, une contrainte notable du PETG concerne sa faible peignabilité, entraînant des difficultés, voire des obstacles insurmontables, pour obtenir une adhésion satisfaisante de la peinture sur ses surfaces (Trhlíková et coll., 2016). Le Tableau 1 ci-dessous présente les avantages et les limites du filament d'impression 3D en PETG par rapport à d'autres filaments, notamment l'ABS, le polyuréthane thermoplastique (TPU) et le PLA.

Propriété	PETG	ABS	TPU	PLA
Fumées	Non toxique (une ventilation adéquate reste néanmoins requise)	Toxique	Non toxique (une ventilation adéquate reste néanmoins requise)	Non toxique (une ventilation adéquate reste néanmoins requise)
Hygroscopique	Oui	Oui	Oui	Oui
Température du plateau chauffant (°C)	70-80	80-110	60-90	20-60
Température de fusion (°C)	220-260	210-250	190-245	180-230
Biodégradable	Non	Non	Non	Oui
Résistance mécanique	Très bonne (mais sujette aux rayures)	Bien	Très bonne	Modérée
Recyclable	Oui	Oui	Oui	Oui

Tableau 1: Propriétés d'impression 3D du PETG et d'autres matériaux.

6. Conclusion

En conclusion, la polyvalence et les propriétés uniques du filament PETG en font un choix incontournable pour diverses applications dans les domaines médical, dentaire, optométrique, chirurgical et prothétique. Sa biocompatibilité, sa durabilité et sa stabilité thermique le rendent adapté à la fabrication d'une large gamme de produits, allant des appareils orthodontiques et aligneurs invisibles aux instruments chirurgicaux et prothèses. Malgré ses atouts en impression 3D, notamment sa haute résistance aux chocs et sa conformité au contact alimentaire, le PETG présente des limites telles qu'une hygroscopicitée élevée et une faible aptitude à la peinture par rapport à d'autres filaments comme l'ABS.

Les recherches présentées soulignent l'importance du PETG dans l'avancement des technologies de santé et l'amélioration des soins aux patients grâce à des applications innovantes. Bien que le PETG offre de nombreux avantages, des efforts de recherche et développement restent nécessaires pour surmonter ses contraintes et étendre son utilisation dans divers contextes. En tirant parti de ses forces et en explorant des matériaux composites comme le PETG-CF15, il existe un potentiel significatif pour optimiser davantage ses propriétés pour des applications spécialisées. Dans l'ensemble, ces résultats mettent en évidence le potentiel du PETG comme matériau fiable et performant pour l'impression 3D et la fabrication de dispositifs médicaux, ouvrant la voie à de nouveaux progrès dans les technologies de santé.

7. References

Bichu, Y. M., Alwafi, A., Liu, X., Andrews, J., Ludwig, B., Bichu, A. Y., & Zou, B. (2023). Advances in orthodontic clear aligner materials. Bioactive Materials, 22, 384-403. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.10.006

Constantin, V., Besnea, D., Gramescu, B., & Moraru, E. (2023). Aspects related to the design and manufacturing of an original and innovative marker support system for use in clinical optometry. Applied Sciences, 13(5), 2859. https://doi.org/10.3390/app13052859

Desai, R., Kelly, K., Lewis, K., Sreenivasan, V., Austin, W., Dinh, C., Labazzo, K., & Nicholas, C. (2021). The eagle hand: Innovations in 3D printing prosthetic hands. 2021 IEEE MIT Undergraduate Research Technology Conference (URTC). https://doi.org/10.1109/urtc54388.2021.9701613

Durgashyam, K., Indra Reddy, M., Balakrishna, A., & Satyanarayana, K. (2019). Experimental investigation on mechanical properties of PETG material processed by fused deposition modeling method. Materials Today: Proceedings, 18, 2052-2059. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.082

Fuentes, J. M., Arrieta, M. P., Boronat, T., & Ferrándiz, S. (2022). Effects of steam heat and dry heat sterilization processes on 3D printed commercial polymers printed by fused deposition modeling. Polymers, 14(5), 855. https://doi.org/10.3390/polym14050855

Grzelak, K., Łaszcz, J., Polkowski, J., Mastalski, P., Kluczyński, J., Łuszczek, J., Torzewski, J., Szachogłuchowicz, I., & Szymaniuk, R. (2021). Additive manufacturing of plastics used for protection against COVID19—The influence of chemical disinfection by alcohol on the properties of ABS and PETG polymers. Materials, 14(17), 4823. https://doi.org/10.3390/ma14174823

Iijima, M., Kohda, N., Kawaguchi, K., Muguruma, T., Ohta, M., Naganishi, A., Murakami, T., & Mizoguchi, I. (2015). Effects of temperature changes and stress loading on the mechanical and shape memory properties of thermoplastic materials with different glass transition behaviours and crystal structures. The European Journal of Orthodontics, 37(6), 665-670. https://doi.org/10.1093/ejo/cjv013

Mercado-Colmenero, J. M., La Rubia, M. D., Mata-Garcia, E., Rodriguez-Santiago, M., & Martin-Doñate, C. (2020). Experimental and numerical analysis for the mechanical characterization of PETG polymers manufactured with FDM technology under pure uniaxial compression stress states for architectural applications. Polymers, 12(10), 2202. https://doi.org/10.3390/polym12102202

Oth, O., Dauchot, C., Orellana, M., & Glineur, R. (2019). How to sterilize 3D printed objects for surgical use? An evaluation of the volumetric deformation of 3D-Printed Genioplasty guide in PLA and PETG after sterilization by low-temperature hydrogen peroxide gas plasma. The Open Dentistry Journal, 13(1), 410-417. https://doi.org/10.2174/1874210601913010410

Steck, P., Scherb, D., Witzgall, C., Miehling, J., & Wartzack, S. (2023). Design and additive manufacturing of a passive ankle–foot orthosis incorporating material characterization for fiber-reinforced PETG-CF15. Materials, 16(9), 3503. https://doi.org/10.3390/ma16093503

Szykiedans, K., Credo, W., & Osiński, D. (2017). Selected mechanical properties of PETG 3-D prints. Procedia Engineering, 177, 455-461. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.245

Trhlíková, L., Zmeskal, O., Psencik, P., & Florian, P. (2016). Study of the thermal properties of filaments for 3D printing. AIP Conference Proceedings. https://doi.org/10.1063/1.4955258

Yan, C., Kleiner, C., Tabigue, A., Shah, V., Sacks, G., Shah, D., & DeStefano, V. (2024). PETG: Applications in modern medicine. Engineered Regeneration, 5(1), 45-55. https://doi.org/10.1016/j.engreg.2023.11.001