Un aperçu des différents procédés d'impression 3D plastique
Depuis que le premier procédé d'impression 3D a été breveté par Chuck Hull en 1984, cette technologie a fait de grands progrès. Entre-temps, d'innombrables matériaux - de l'ABS au nylon en passant par le TPU - peuvent être traités par fabrication additive, et les domaines d'application de l'impression 3D se sont également multipliés au cours des dernières décennies.
Cette expansion des possibilités est étroitement liée au développement de nouveaux procédés d'impression 3D. Et même si cette expansion comporte naturellement une multitude d'avantages, il peut être difficile de voir à travers le brouillard de confusion, surtout pour les nouveaux venus dans cette technologie.
C'est précisément ce brouillard que cet article de blog va maintenant dissiper. Vous obtiendrez ici un bref aperçu des procédés d'impression 3D plastique les plus couramment utilisés, y compris certains avantages et inconvénients ainsi qu'une sélection de fabricants qui produisent des imprimantes 3D pour ce procédé. Je diviserai ces processus en fonction du matériau utilisé - et nous commencerons cet aperçu par les processus d'impression en impression 3D en résine.
Processus d'impression 3D avec résine
Certains lecteurs peuvent se demander pourquoi je ne commence pas par le type d'impression 3D le plus courant : l'impression 3D à filament. Eh bien, l'impression 3D avec des filaments est la manière la plus connue, mais pas la plus ancienne, de produire des composants par fabrication additive.
Cette réussite revient à l'impression 3D en résine, ou plus précisément à la stéréolithographie, dont nous parlerons plus en détail dans un instant. Mais d'abord, comment fonctionne en principe l'impression 3D en résine.
La résine époxy liquide est utilisée pour l'impression 3D avec de la résine. Cette résine durcit lorsqu'elle est exposée aux rayons UV et se transforme en plastique. Comme pour tous les types d'impression 3D, le composant est construit en couches : une couche est durcie, une résine liquide est appliquée sur cette couche puis également durcie.
La grande majorité des processus utilisent une plaque de construction mobile, qui est plongée dans la résine puis se déplace verticalement couche par couche. À la fin du processus d'impression, le composant doit toujours être lavé car il contient un excès de résine et, si nécessaire, post-durci afin d'obtenir des performances mécaniques maximales.
L'impression 3D avec de la résine étant la technologie d'impression la plus ancienne, il existe également de nombreux procédés différents pour cela. Je vais maintenant aborder les plus importants d'entre eux individuellement, à savoir la stéréolithographie, le traitement numérique de la lumière, la stéréolithographie masquée et le procédé PolyJet™.
Stéréolithographie (SLA)
Comme déjà mentionné, la stéréolithographie, généralement abrégée en SLA, est le plus ancien procédé d'impression 3D breveté. Dans ce processus, un réservoir est entièrement rempli de résine et la plateforme de construction est ensuite abaissée presque complètement jusqu'au fond du réservoir de sorte qu'il n'y ait qu'une seule couche entre la plateforme de construction et le fond.
Cette couche est ensuite durcie à l'aide d'un laser UV qui se déplace d'un point à l'autre, traçant la géométrie du composant. Une fois cette couche complètement durcie, la plate-forme du bâtiment est surélevée de la hauteur d'une autre couche afin que celle-ci puisse également être durcie par le laser. Ce processus est ensuite répété jusqu'à ce que l'ensemble du composant soit durci.
Malgré son âge, ce processus reste le type d'impression 3D en résine le plus largement utilisé aujourd'hui. Cela est notamment dû à la précision exceptionnelle qu'offre ce procédé. Avec une précision allant jusqu'à ±0,05 mm, il est idéal pour la fabrication d'assemblages et d'autres applications nécessitant une précision maximale.
Un autre avantage est la transparence exceptionnelle qui peut être obtenue avec le SLA. La large gamme de matériaux transparents dotés de diverses propriétés supplémentaires - de la biocompatible à la résistance à la chaleur - permettent une transparence maximale pour des secteurs tels que la technologie médicale ou la photonique.
Cependant, la vitesse d'impression relativement lente doit être mentionnée comme un inconvénient de cette technologie. Comme le laser durcit chaque point individuellement, le processus prend en moyenne beaucoup plus de temps qu’avec les autres méthodes d’impression 3D. De plus, les coûts d'entrée pour ce processus sont généralement assez élevés, car il n'existe pas d'imprimantes de bureau avec processus SLA.
Il existe cependant une large gamme d'imprimantes industrielles provenant de différents fournisseurs. Les plus connues d'entre elles sont la société israélo-américaine Stratasys® avec sa série Neo®, ainsi que la société américaine 3D Systems®, autrefois fondée par Chuck Hull, avec la série ProJet, par exemple.
Traitement numérique de la lumière (DLP)
Le processus DLP décrit en fait non seulement un processus d'impression 3D, mais une technologie de projection également utilisée dans les vidéoprojecteurs. Celui-ci a été développé en 1987 par Larry Hornbeck de la société américaine Texas Instruments.
À la fin des années 1990, des expériences ont commencé avec l'utilisation de cette technologie de projection pour la fabrication additive, ce qui a finalement conduit à la Perfactory d'EnvisionTEC - la première imprimante DLP disponible dans le commerce - en 2002.
En principe, le processus DLP est très similaire au processus SLA, la différence étant la technologie de projection qui lui donne son nom. Au lieu d'un laser qui se déplace d'un point à l'autre, toute la couche de résine est polymérisée en une seule fois par la lumière UV du projecteur DLP.
L'utilisation de ce projecteur permet d'obtenir une vitesse beaucoup plus élevée que le processus SLA. Il est bien sûr difficile de faire des déclarations générales sur le gain de vitesse exact, mais le processus DLP est environ 30 à 50 % plus rapide que la stéréolithographie.
Un autre avantage est le prix d'entrée de gamme beaucoup plus bas des imprimantes DLP. La plupart des imprimantes 3D résine de bureau sont basées sur le procédé DLP, ce qui signifie que les amateurs peuvent également utiliser l'impression 3D résine pour eux-mêmes.
L'un des inconvénients de ce procédé est la résolution d'impression inférieure à celle des autres procédés à base de résine. Celui-ci se distingue par une apparence légèrement plus pixelisée, mais généralement uniquement lorsqu'on l'observe de très près. Les imprimantes DLP n'offrent pas non plus des volumes de construction surdimensionnés, car la résolution d'impression diminuerait considérablement à une certaine distance du projecteur.
Néanmoins, il existe bien sûr quelques solutions et fournisseurs DLP industriels. Parmi les fabricants les plus connus figurent la société française Prodways avec sa série ProMaker, la société germano-américaine EnvisionTEC évoquée plus haut, par exemple avec son Envision One, et encore Stratasys® avec son Origin® One.
Stéréolithographie masquée (MSLA)
Le processus MSLA se situe entre les processus SLA et DLP et combine plusieurs fonctionnalités des deux processus. Tout comme le processus DLP, MSLA n'utilise pas de laser et, contrairement au DLP, n'utilise pas de projecteur, mais plutôt une lumière LED dirigée sélectivement à travers un écran LCD sur les zones à polymériser.
Ce processus polymérise également la couche entière en une seule fois. Cependant, le reste du processus, c'est-à-dire le déplacement de la plaque de construction, le lavage du composant, etc., est identique aux processus SLA et DLP.
Ce processus, développé au début des années 2010, combine les plus grands avantages des processus SLA et DLP, à savoir la rapidité du processus DLP combinée à une résolution exceptionnelle grâce à la résolution 8K de l'écran LCD.
En termes de prix, il se situe au milieu des deux processus. Comme un écran LCD haute résolution coûte plus cher qu’un projecteur DLP, même les versions de bureau ne peuvent pas suivre les bas prix des imprimantes DLP. Cependant, les systèmes MSLA industriels sont généralement encore plus abordables que les systèmes SLA.
Les seuls inconvénients que le procédé MSLA ne pouvait pas éviter dans sa symbiose entre SLA et DLP sont, d'une part, les volumes de construction encore limités en raison de la résolution d'impression décroissante sur de longues distances et, d'autre part, la résolution d'impression encore légèrement inférieure par rapport au procédé SLA.
Même si MSLA est un procédé d'impression 3D relativement nouveau, il existe également plusieurs fournisseurs d'impression industrielle. systèmes. Les plus connus d'entre eux sont la société américaine Nexa3D® avec ses NXE 400Pro et XiP Pro et la société tangible Engineering GmbH de Stuttgart avec le Solidator 8K.
PolyJet™
Bien que les trois procédés mentionnés jusqu'à présent soient très similaires, le procédé PolyJet™ développé par la société israélienne Objet Geometries en 1998 se démarque. Bien qu'il fonctionne toujours avec la lumière UV, il n'utilise plus de réservoir de résine, mais des têtes d'impression classiques.
De minuscules gouttelettes de résine sont appliquées sur la plaque de construction à partir de ces têtes d'impression, qui sont immédiatement durcies par la lumière UV environnante. Les têtes d'impression sont généralement fixes, tandis que la plate-forme de fabrication ronde tourne pour permettre des résultats d'impression plus rapides et plus cohérents.
Les avantages de ce processus unique sont nombreux, mais le plus important est clairement la possibilité d'imprimer plusieurs matériaux et couleurs simultanément. Les machines PolyJet™ disposent de trois à huit canaux de matériaux, ce qui permet de produire des pièces multi-matériaux en un seul tirage plutôt que de devoir passer par plusieurs étapes de production différentes.
Un autre avantage est la finition de surface très lisse qui peut être obtenue avec PolyJet™. Cela élimine les étapes de post-traitement potentiellement longues et permet donc de terminer les composants plus rapidement.
Pour garantir la stabilité des composants, le processus PolyJet™ est malheureusement quelque peu limité en termes de hauteur : la hauteur d'impression maximale pour les machines PolyJet™ actuellement disponibles est de 200 mm. Un autre inconvénient réside dans les coûts d'acquisition plus élevés, qui restent inférieurs à ceux des machines SLA, mais bien supérieurs à ceux des imprimantes DLP ou MSLA.
Comme PolyJet™ est un procédé breveté d'Objet Geometries, qui a fusionné avec Stratasys® en 2011, il n'existe qu'un seul fabricant pour cette technologie. Cependant, Stratasys® propose des machines pour diverses applications, telles que la J35™ Pro pour le prototypage, la série DentaJet™ pour l'industrie dentaire, la J55 MediJet® pour l'industrie médicale et la J850™ Prime pour les pièces finales.
Procédés d'impression 3D avec filament
Après la technologie la plus ancienne de l'impression 3D, nous arrivons à ce qui est clairement la technologie la plus connue : l'impression 3D avec des filaments. Cependant, l'impression 3D à filament a également quelques années à son actif : le procédé FDM® a été breveté en 1988 par Scott Crump, qui a fondé Stratasys® un an plus tard, et commercialisé un an plus tard.
L'impression 3D à filament est essentiellement basée sur l'extrusion. Cela signifie que les filaments sont chauffés au-dessus du point de fusion dans l'imprimante et ainsi liquéfiés, après quoi une couche de filament est extrudée sur la plaque de construction. En raison de la grande différence de température lorsqu'il atteint la plaque de construction, le filament durcit rapidement, après quoi la couche suivante est appliquée jusqu'à ce que le composant soit terminé.
Le seul post-traitement absolument nécessaire avec l'impression 3D à filament est le retrait des structures de support. Selon le matériau, ceux-ci peuvent être simplement retirés à la main ou avec un cutter.
Contrairement à l'impression 3D en résine, l'impression 3D avec des filaments offre beaucoup moins de processus différents pour fabriquer des composants. Les deux plus importants d'entre eux sont la modélisation classique des dépôts fondus ou la fabrication de filaments fondus et la nouvelle fabrication granulaire fondue.
Modélisation de dépôt fondu (FDM®) / Fabrication de filaments fondus (FFF)
La seule différence entre les processus FDM® et FFF est le nom. FDM® est le nom breveté par Stratasys®, c'est pourquoi d'autres fabricants utilisent le nom FFF.
Ce procédé utilise de fins fils de plastique, le filament qui donne son nom au procédé, qui est fabriqué à partir de granulés de plastique classiques. L'ensemble du processus est exactement comme décrit ci-dessus, c'est-à-dire chauffer le filament, l'extruder, durcir et enfin retirer le support.
Le plus grand avantage de ce processus est son faible coût. Les coûts d'acquisition des imprimantes FDM® et FFF sont sans aucun doute les moins chers de toute l'impression 3D et les coûts des matériaux sont également parmi les meilleurs en termes de rentabilité.
En termes de matériaux, un autre avantage est le très grand choix de matériaux différents et fréquemment utilisés. De l'ABS à l'ASA en passant par le PEEK et le TPU, l'impression 3D FDM® ou FFF offre sans aucun doute la plus grande variété de matériaux.
Cependant, cette variété n'a pas encore réussi à résoudre l'inconvénient d'une surface plus rugueuse. Pour les applications qui nécessitent des surfaces très lisses, la surface doit toujours être retravaillée lors de l'utilisation de l'impression 3D FDM® ou FFF, ce qui signifie du temps et des efforts. Ce processus est également à la traîne par rapport aux autres en termes de résolution d'impression.
Alors que le dernier processus discuté n'avait qu'un seul fournisseur, le processus FDM® ou FFF est certainement celui qui compte le plus de fournisseurs. Les systèmes industriels sont proposés par Stratasys® avec sa série F, Markforged avec la série FX et Roboze avec la série ARGO, par exemple.
Fused Granular Fabrication (FGF)
Dans un sens plus précis, le procédé FGF ne diffère pas du FDM® et du FFF dans le processus lui-même, mais dans le matériau utilisé ou la forme de matériau utilisé, car au lieu d'utiliser du filament, les granulés de plastique, souvent appelés « pellets » dans l'impression 3D, sont utilisés directement dans ce processus.
Ces pellets sont introduits dans l'imprimante via un système de trémie, où ils sont fondus puis ensuite extrudé sur la plaque d'impression. Bien que l'intérieur de l'imprimante diffère entre les procédés FGF et FDM®/FFF, les deux procédés sont fondamentalement exactement les mêmes.
Le premier avantage du procédé FGF est rapidement reconnu, à savoir la réduction des coûts de matériaux, car les pellets ne doivent pas être transformés au préalable en filament. En moyenne, entre 30 et 50 % des coûts de matériaux peuvent être économisés en utilisant des pellets.
Un autre avantage est la possibilité d'imprimer plus longtemps sans interruption. Grâce à la forme des granulés, la quantité de matériau requise peut être introduite directement dans l'imprimante, tandis qu'avec FDM® et FFF, vous êtes limité à la taille de bobine respective et devez la remplacer continuellement. L'impression FGF est donc idéale en particulier pour les projets avec de grands volumes.
Malheureusement, la forme du matériau entraîne également une perte de finesse des détails, car en moyenne, plus de matériau est extrudé à la fois. De plus, les coûts d'acquisition sont naturellement plus élevés en moyenne, car l'impression FGF est particulièrement efficace pour les composants grand format.
La variété de fournisseurs pour l'impression FGF est beaucoup plus petite que pour le procédé FDM®/FFF en raison de son domaine d'application plus spécifique, mais il existe encore plusieurs systèmes d'impression parmi lesquels choisir - dont l'EXT 1270 Titan Pellet de 3D Systems® et l'ARGO 1000 de Roboze.
Processus d'impression 3D avec de la poudre
Enfin, jetons un coup d'œil à l'impression 3D avec des poudres de polymères. Ce procédé a également été développé au milieu des années 1980, notamment par le Dr Carl Deckard et le Dr Joe Beaman de l'Université du Texas, mais ce n'est qu'en 1992 que la première imprimante 3D à poudre est devenue disponible.
Dans ce type d'impression 3D, la poudre de polymère est appliquée couche par couche sur une plaque de construction, où elle est ensuite fusionnée de différentes manières avant que la couche de poudre suivante ne soit appliquée et le processus se poursuit jusqu'à ce que la pièce soit terminée.
Règle générale. L’avantage de tous les procédés d’impression 3D en poudre est le manque de structures de support. Comme la poudre n'est pas appliquée de manière sélective mais sur l'ensemble de la plateforme de construction, la poudre qui n'est pas fusionnée sert également de structure de support. Cependant, cet excès de poudre doit bien entendu encore être éliminé du composant fini, ce qui est le seul post-traitement obligatoire pour ce type d'impression 3D.
La possibilité de recycler cet excès de poudre est également avantageuse pour tous les processus d'impression ultérieurs. Après un court processus de criblage, cette poudre peut simplement être réutilisée avec l'ajout d'un certain pourcentage de nouvelle poudre, ce qui signifie qu'aucun matériau n'est gaspillé.
Les principaux processus de ce type d'impression 3D sont le frittage sélectif au laser, qui est le processus d'impression 3D original à base de poudre, et la fusion par absorption sélective, développé par Stratasys®.
Frittage sélectif laser (SLS)
Comme son nom l'indique, le procédé SLS utilise un laser pour faire fondre la poudre. Un laser CO2 ou infrarouge est généralement utilisé afin d'avoir suffisamment de puissance pour fusionner les grains de poudre individuels.
Cependant, avant d'utiliser ce laser, la poudre est chauffée juste en dessous du point de fusion à l'intérieur de l'imprimante. Cette poudre chauffée est ensuite dispersée sur la plaque de construction, après quoi le laser fait fondre sélectivement les zones requises pour le composant.
Dès que la première couche a été frittée, la plaque de construction est déplacée vers le bas de l'épaisseur d'une couche, après quoi une nouvelle couche de poudre est appliquée. Comme auparavant, ce processus est répété jusqu'à ce que le composant soit terminé. La plaque de construction est ensuite retirée, refroidie, l'excès de poudre est retiré du composant et, si nécessaire, d'autres étapes de post-traitement sont ajoutées.
En plus des avantages généraux de l'impression 3D de poudre mentionnés ci-dessus, le processus SLS offre également ses propres avantages. Ceux-ci incluent le très grand choix de matériaux. Les poudres SLS se déclinent dans une large gamme de propriétés - du PP et TPU à une variété de polyamides tels que le PA6 ou le PA12, en option également avec un renfort en perles de verre ou en fibre de carbone.
Un autre avantage par rapport aux processus d'impression 3D ultérieurs est le prix d'entrée de gamme. La SLS est désormais également disponible dans un format plus petit, le fabricant polonais Sinterit proposant notamment plusieurs imprimantes SLS de bureau abordables.
Cependant, l'impression SLS est également l'une des variantes les plus lentes de l'impression 3D en poudre. Semblable au SLA, cela est dû au laser, qui doit se déplacer d'un point à l'autre et nécessite donc naturellement beaucoup plus de temps pour fusionner une couche. La surface, qui est toujours un peu plus rugueuse avec les composants en poudre, est également à la traîne par rapport aux autres procédés en poudre avec SLS.
La diversité des fournisseurs pour ce procédé est assez grande en raison de son ancienneté. Pour le secteur industriel, 3D Systems® avec sa SLS 380, Nexa3D® avec sa série QLS et EOS GmbH avec sa série P, entre autres, proposent des solutions d'impression idéales.
Fusion par Absorption Sélective (SAF™)
Le procédé SAF™ est basé sur le procédé HSS (High Speed Sintering), qui a été développé au début des années 2000 mais est resté longtemps en phase de prototype, a été développé par Stratasys® dans le procédé SAF™ en 2021 et a également été lancé sur le marché en 2022 avec le H350.
Ce procédé n'utilise pas de laser, mais fait fondre la poudre à l’aide d’un liquide et de chaleur infrarouge. Le liquide, appelé High Absorption Fluid (HAF™), est appliqué sur la poudre qui, contrairement au procédé SLS, n'est pas chauffée, après quoi la source de chaleur est appliquée. Le HAF™ absorbe désormais beaucoup plus de cette chaleur et fait ainsi fondre la poudre environnante de manière uniforme et précise. Les étapes du processus en aval sont identiques à celles du processus SLS.
Entre autres choses, ce processus offre une vitesse d'impression bien améliorée. En fusionnant une couche entière en une seule fois, des gains de vitesse allant jusqu'à 50 % peuvent être obtenus par rapport au SLS conventionnel.
Un autre avantage majeur est la densité de compactage la plus élevée du marché avec le procédé SAF™. En moyenne, une densité d'emballage allant jusqu'à 40 % est possible, dans certains cas même jusqu'à 50 %, ce qui augmente considérablement le rendement de l'imprimante 3D.
Un inconvénient, cependant, est le choix très limité de matériaux. Stratasys® ne propose actuellement (juin 2024) que deux matériaux et le processus n'est pas conçu pour les matériaux tiers. De plus, les composants imprimés avec SAF™ ont toujours une teinte grise, ce qui peut ne pas convenir à certaines applications.
Il n'existe actuellement qu'un seul fabricant pour le procédé SAF™, à savoir Stratasys®. Il n’existe d’ailleurs à ce jour qu’une seule imprimante qui utilise ce procédé, à savoir la H350, ce qui fait que le choix est clairement le plus restreint pour ce procédé. Pour être honnête, cependant, le processus est aussi clairement le plus récent.
Conclusion
Comme cela apparaît clairement dans cet article de blog, la variété des processus d'impression 3D est énorme - même si je n'ai expliqué ici que les processus les plus importants. Néanmoins, j'espère avoir pu faire la lumière sur le sujet avec cet article de blog.
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