Nous avons déjà fabriqué des matériaux composites sympas et ils ont été un grand succès : nous avons préparé des matériaux adaptés à un usage mécanique, comme les Prusament PC Blend Carbon Fiber et Prusament PA11 Carbon Fiber. Pour passer à l’étape suivante, nous avons décidé de fabriquer un filament enrichi de métal très avancé destiné à un usage technique plutôt qu’esthétique : nous lançons le Prusament PETG Tungsten 75% ! Bien que ce matériau soit principalement conçu pour un groupe d’utilisateurs très spécifique, nous pensons que son développement intriguera tout le monde dans la communauté de l’impression 3D. Ce filament a beaucoup à offrir – ses propriétés non réactives, hypoallergéniques et non toxiques le rendent idéal pour diverses applications médicales. De plus, sa haute densité est parfaite pour créer des composants de protection contre les radiations d’une manière plus facile et plus rapide par rapport aux méthodes conventionnelles. Parlons-en plus en détail.

Le tungstène, également connu sous le nom de Wolfram (symbole chimique W, numéro atomique 74), est l’un des métaux les plus lourds du tableau périodique. Avec sa densité d’environ 19 grammes par centimètre cube, il est comparable à l’or et il est environ 1,7 fois plus dense que le plomb (symbole chimique Pb, numéro atomique 82). En raison de son numéro atomique, le tungstène peut être utilisé dans diverses applications comme un matériau de protection contre les rayons X et les rayons gamma. C’est un élément principalement non réactif qui ne réagit pas avec l’eau, l’oxygène ou l’air à température ambiante. Contrairement au plomb, le tungstène est hypoallergénique et non toxique, ce qui le rend parfaitement adapté aux applications médicales.

Les matériaux d’une telle densité sont généralement très difficiles à usiner, peuvent être très chers, voire toxiques. Les propriétés inhérentes à ces matériaux rendent indésirables les méthodes de fabrication classiques. La fabrication additive offre la possibilité de créer des composants de blindage complexes/personnalisés plus facilement et parfois à moindre coût.

Protection contre les rayonnements et propriétés mécaniques

Le Prusament PETG Tungsten 75% est enrichi de poudre de tungstène (75 % en masse), il n’a donc évidemment pas les mêmes propriétés de blindage que le tungstène pur. Nous avons fait le tableau suivant pour clarifier les propriétés de blindage du Prusament PETG Tungsten 75% par rapport au plomb et au tungstène purs. Pour comprendre le tableau, nous devons expliquer certains termes de base utilisés dans l’industrie de la protection contre les rayonnements :

Densité (g*cm^-3) : Lors de l’examen des choix de protection contre les rayonnements, les caractéristiques les plus importantes sont le numéro atomique et la densité du matériau. Le plomb et le tungstène sont les matériaux les plus courants pour se protéger contre les rayons X et les rayonnements gamma, c’est pourquoi nous comparons ces deux métaux (purs) avec le nouveau Prusament.

Coefficient d’atténuation linéaire (µ) : Il s’agit d’une constante qui décrit la fraction de photons incidents atténués dans un faisceau monoénergétique par unité d’épaisseur d’un matériau. Plus le coefficient d’atténuation linéaire est élevé, plus la capacité d’atténuation de la substance est élevée, ce qui correspond à un matériau de protection plus approprié.

Couche de demi-atténuation CDA (mm) : Dans les caractéristiques de protection contre les rayonnements, la couche de demi-atténuation (CDA) est un paramètre important dont il faut parler. Elle représente l’épaisseur du matériau à laquelle l’intensité de rayonnement qui y pénètre est réduit de moitié. Pour l’énergie gamma la plus couramment utilisée en imagerie médicale nucléaire (140 keV, ^99mTc) le plomb pur a une CDA de 0,256 mm, le tungstène est doté d’une CDA de 0,191 mm. En d’autres termes : vous avez besoin de moins de tungstène que de plomb pour obtenir des résultats de blindage similaires.

Comparaison des propriétés de protection contre les radiations entre le Prusament PETG Tungsten 75% et des matériaux de blindage courants. Le coefficient d’atténuation linéaire du plomb pur et du tungstène pur a été calculé à l’aide de la base de données physics.nist.gov et des valeurs dans cet article.

Les résultats indiqués dans le tableau (densité, μ et CDA) sont théoriques pour le plomb pur et le tungstène pur. La densité du Prusament PETG Tungsten 75% (4 g*cm^-3) a été calculée à partir de la masse et des dimensions du filament. Son μ provient de la série de mesures d’atténuation menée par Ing. Jaroslav Ptáček, Ph.D. dans le département de Physique Médicale et Radioprotection à l’Hôpital d’Olomouc. La valeur de CDA a ensuite été facilement calculée à partir des données expérimentales.

Matériel de test du Prusament PETG Tungsten 75%. L’émetteur radioactif n’est pas visible sur cette photo.

Méthode de mesure

Toutes les mesures ont été faites avec du Technétium métastable (^99mTc). Lors des mesures d’atténuation, l’échantillon de Prusament PETG Tungsten 75% d’une certaine épaisseur a été irradié par une source de radio-isotope de ^99mTc. L’atténuation d’un échantillon particulier a été établie en utilisant la géométrie du faisceau étroit. Dans les diagnostics de médecine nucléaire, c’est le radio-isotope médical le plus couramment utilisé. Utilisé comme traceur radioactif, il émet des rayons gamma détectables avec une énergie photonique de 140 keV.

Certains des échantillons testés de Prusament PETG Tungstène 75%.

Les objets de test ont été imprimés en 3D avec du Prusament PETG Tungsten 75%, avec les épaisseurs suivantes : 0,1 ; 0,2 ; 0,3 ; 0,5 ; 1; 1,5 ; 2 ; et 3 mm. Les mesures ont été prises perpendiculairement à la surface de l’échantillon. Après avoir pris les mesures, nous avons calculé la CDA (voir les résultats ci-dessous).

Insertion du technétium métastable (^99mTC) à l’intérieur de l’appareil d’essai.

Résultats des mesures d’atténuation. L’axe Y montre la quantité de rayonnement gamma traversant l’échantillon testé, l’axe X représente l’épaisseur de l’échantillon. La CDA calculée pour le Prusament PETG Tungsten 75% est de 1,402 mm (repère orange). À titre de comparaison, la CDA pour le plomb pur est de 0,256 mm, la CDA pour le tungstène pur est de 0,191 mm.

Le Prusament PETG Tungsten 75% peut être imprimé avec une buse de 0,4 mm sans crainte de colmatage, ce qui se produit souvent lors de l’impression de filaments enrichis de métal. Nous avons lié la fine poudre de tungstène avec du PETG en raison de sa bonne imprimabilité, sa résistance aux radiations et aux produits chimiques (par exemple diverses solutions de désinfection). Les propriétés mécaniques et de protection contre les rayonnements complètes peuvent être trouvées dans notre fiche technique, mais voici les paramètres les plus importants :

• Propriétés de blindage du tungstène pur : CDA de 0,191 mm (^99mTc, 140 keV)
• Propriétés de blindage du Prusament PETG Tungsten 75% :
  CDA de 1,402 mm (^99mTc, 140 keV)*
• Polymère de liaison : PETG
• Teneur en tungstène : 75% en masse
• Résistance aux chocs Charpy : 22 kJ/m²
• Résistance à la traction : 39 MPa
• Dureté Shore : 79D
• TFC : pour 0,45 MPa 94,2 °C ; pour 1,80 MPa 86,0 °C
• Buse durcie nécessaire : Oui

*Comme observé lors des tests du matériau, de nombreux facteurs influencent les résultats globaux, tels que l’état de l’imprimante 3D, le découpage, etc. Ainsi, les propriétés de blindage de vos impressions peuvent légèrement différer.

Notez que le profil d’impression du Prusament PETG Tungsten 75% n’est pas inclus dans PrusaSlicer, veuillez télécharger le lot de configuration (MK3S+) ici. Si vous avez besoin d’un profil d’impression pour une autre imprimante 3D Original Prusa, contactez notre support et nous nous ferons un plaisir de vous aider.

Comment cela fonctionne en pratique ?

Nous avons essayé de faire une preuve de concept avec un appareil de blindage pour seringues utilisé avec des radiopharmaceutiques de médecine nucléaire. Nous avons utilisé le Prusament PETG Tungsten 75% pour imprimer une pièce souhaitée d’une épaisseur de blindage d’environ 8 mm d’épaisseur, qui est égal à 5,7 CDAs (basée sur ^99mTc). Cet appareil a été conçu spécifiquement pour le système de perfusion de radiopharmaceutiques utilisé à l’Hôpital d’Olomouc dans ses laboratoires. Grâce à notre pièce imprimée en 3D, le personnel hospitalier peut basculer entre plusieurs blindages de seringues.

Blindage imprimé en Prusament PETG Tungstène 75%

Bien que le blindage imprimé en 3D était nettement plus épais que le tungstène pur, qui est utilisé commercialement, l’impression 3D était nettement plus rapide (compte tenu de la commande, du transport, etc.). Dans certains cas, la commande de pièces de rechange peut être trop compliquée et le Prusament PETG Tungsten 75% peut aider à créer un substitut approprié. Cela montre un grand potentiel dans diverses réparations rapides et améliorations des instruments radiologiques. Et enfin, dans certaines pièces, la fabrication additive peut faire gagner non seulement du temps mais aussi de l’argent.

Prix, couleur et poids

Habituellement, nous fabriquons des filaments de différentes couleurs à des fins esthétiques. Cependant, les matériaux techniques, en particulier enrichis de métal et de carbone, sont généralement colorés par la poudre fine à l’intérieur du polymère. C’est pourquoi notre filament de tungstène n’est coloré qu’en gris métallisé foncé. La bobine standard contient 1 kg de matériau, ce qui équivaut à 100 m de filament. Mais en plus de cela, nous proposons également des échantillons de 100g correspondant à environ 10m de filament. Veuillez noter qu’en raison de la quantité élevée de tungstène, le volume global du matériau est nettement inférieur. Le prix pour 1 kg de matériau est de 229 USD / 249 EUR (TVA incluse), l’échantillon de 100g coûte 23,99 USD / 25,99 EUR (TVA incluse).

Calibrez votre imprimante avec notre outil avant d’imprimer des pièces volumineuses et lourdes

N’oubliez pas que vous avez besoin que l’imprimante soit dans le meilleur état possible. Tout colmatage ou autre défaut entraîne de moins bonnes propriétés de blindage contre les radiations. Bien que nous ne puissions pas garantir que vous obtiendrez exactement les mêmes valeurs que celles que nous avons trouvées lors de nos tests, nous pouvons vous aider à obtenir les meilleurs résultats possibles. Pour cela, nous avons conçu ce bloc de calibration qui devrait peser au moins 5,4 g, une fois imprimé. Nous vous recommandons de l’imprimer et de le peser avant de commencer à créer des pièces volumineuses et lourdes. De cette façon, vous pouvez savoir si votre imprimante est dans les meilleures conditions ce qui est nécessaire pour une impression réussie avec le Prusament PETG Tungsten 75%. Si vous voyez des défauts sur le bloc ou si vous constatez que le poids est nettement inférieur à 5,4g, nettoyez soigneusement votre imprimante et répétez le processus. Enfin,nous vous recommandons de tester vos impressions pour connaître la CDA exacte, tout comme nous l’avons fait avec le technétium métastable.

Une comparaison de deux blocs imprimés en 3D, celui de gauche représente une imprimante bien calibré, celui de droite montre une sous-extrusion (possiblement une buse bouchée partiellement).

Applications typiques

Quant à la meilleure utilisation, nous avons conçu le Prusament PETG Tungsten 75% en partie pour les applications médicales (par exemple la radiologie) mais nous visons toute l’industrie de la radioprotection. Il existe un certain nombre de domaines où les filaments de protection contre les rayonnements peuvent être utilisés. Cela inclut par exemple l’aérospatiale, l’industrie de l’énergie nucléaire, les essais non destructifs, les appareils d’imagerie à rayons X, etc. Nous sommes conscient que le Prusament PETG Tungsten 75% n’est pas conçu pour la communauté dans son ensemble, mais plutôt pour la recherche spécialisée et l’ingénierie de haut niveau. Nous pensons que nous verrons très bientôt de nombreuses pièces de blindage fantastiques conçues et imprimées par vous. Si vous avez des idées qui pourraient impliquer notre coopération, veuillez nous le faire savoir. Nous sommes toujours impatients d’essayer quelque chose de nouveau !

Exemples d’utilisation

Blindage des radiopharmaceutiques	Blindage des radiopharmaceutiques (complètement démonté)
Outil de test pour équipement de radiologie diagnostique (Le fond carré est imprimé avec du Prusament PETG pur)	Outil de test pour équipement de radiologie de diagnostique photographié sous les rayons X (Les cercles concentriques sont imprimés avec du Prusament PETG Tungsten 75%, le carré pâle est le PETG pur)
Collimateurs de caméra gamma personnalisés	Cache de blindage personnalisé (Pour une utilisation dans les salles d’imagerie par rayons X)