Impression 3DL'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, permet de créer des objets à partir de fichiers numériques en déposant de la matière couche par couche. Il existe aujourd'hui de nombreux types de technologies d'impression 3D, chacune ayant ses propres avantages et applications idéales. Le choix de la technologie d'impression 3D adaptée à un projet particulier dépend de facteurs tels que les capacités des matériaux, la vitesse, la précision, le coût, etc.
Modélisation par dépôt en fusion (FDM)
La modélisation par dépôt en fusion (FDM) est l'un des types d'impression 3D les plus courants et les plus abordables. Elle consiste à chauffer un filament thermoplastique à l'état semi-liquide et à l'extruder à travers une buse sur une plate-forme de construction, couche par couche. Une fois qu'une couche a refroidi et durci, la plateforme s'abaisse et la couche suivante est imprimée par-dessus. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que l'objet soit complet.
Avantages de l'impression 3D FDM :
- Faible coût des imprimantes et des matériaux
- Divers matériaux thermoplastiques disponibles, tels que PLA, ABS, PETG, nylon, etc.
- Bonne résistance et propriétés thermiques
- Simplicité d'utilisation et d'entretien
Applications idéales de la FDM :
- Prototypage
- Outils, gabarits et montages
- Jouets et articles de loisirs
- Pièces fonctionnelles et produits finis
Les imprimantes 3D FDM sont excellentes pour fabriquer des pièces en plastique personnalisées à faible coût, mais elles sont limitées en termes de finition de surface et de précision. La nature stratifiée du processus d'impression entraîne un effet de marche d'escalier visible sur les surfaces inclinées.
Matériaux FDM
Les matériaux les plus couramment utilisés pour l'impression 3D FDM sont les suivants :
- PLA – ; Acide polylactique ; thermoplastique biodégradable dérivé de l'amidon de maïs. Facile à imprimer et produit des modèles à faible odeur. Plus fragile que les autres plastiques.
- ABS – ; Acrylonitrile butadiène styrène ; un polymère thermoplastique durable et modérément flexible. A tendance à se rétracter légèrement pendant le refroidissement, ce qui peut compromettre la précision. Emet des fumées lors de l'impression.
- PETG – ; Polyéthylène téréphtalate modifié par le glycol ; combine résistance et flexibilité pour des pièces imprimées durables. Résiste à de nombreux produits chimiques et absorbe peu l'humidité.
- Nylon – ; Plastique technique solide et flexible, doté d'excellentes propriétés, mais plus difficile à imprimer avec succès. Souvent utilisé pour des pièces fonctionnelles nécessitant de la solidité.
- TPU – ; Polyuréthane thermoplastique ; filament souple ressemblant à du caoutchouc utilisé pour les objets flexibles, les joints, les tuyaux, etc. Difficile à imprimer et nécessite des configurations d'imprimante spécifiques.
Stéréolithographie (SLA)
L'impression 3D par stéréolithographie (SLA) utilise des lasers ultraviolets (UV) pour polymériser la résine plastique liquide couche par couche jusqu'à ce qu'un objet soit formé. Une imprimante 3D SLA contient une cuve de résine photopolymère qui est sélectivement durcie par un laser UV.
Avantages de l'impression SLA :
- Très grande précision et détails très nets
- Excellente qualité de finition de la surface
- Variété de résines photopolymères disponibles
- Impression rapide de petits objets
Applications idéales de l'impression SLA :
- Dispositifs dentaires et médicaux
- Modèles de moulage de bijoux
- Des figurines très détaillées
- Pièces d'ingénierie de précision
- Prototypes fonctionnels
Bien que l'impression 3D SLA offre une qualité de pièce superbe, le processus peut être salissant, les matériaux sont plus chers et des structures de support peuvent être nécessaires pour certaines géométries. Un post-traitement est également nécessaire pour rincer et durcir les pièces imprimées.
Matériaux de l'ALS
Les résines photopolymères SLA les plus courantes sont les suivantes :
- Résines standard – ; Pour le prototypage et le moulage de pièces maîtresses. Abordable mais fragile.
- Résines résistantes – ; Résines durables de type plastique qui offrent résistance et flexibilité.
- Résines dentaires – ; Résines biocompatibles approuvées pour les appareils dentaires.
- Résines coulables – ; Conçu pour les maîtres de la fonderie de bijoux sacrifiés, à couler à la cire perdue.
- Résines biocompatibles – ; Pour les dispositifs médicaux en interface avec le corps humain.
- Résines techniques – ; Matériaux résistants à la chaleur et aux produits chimiques avec des propriétés mécaniques avancées.
Jets de matériaux (MJ)
L'impression 3D par jet de matière (MJ) utilise des têtes d'impression de type jet d'encre pour déposer de manière sélective de minuscules gouttelettes de photopolymères liquides durcissant aux UV sur une plateforme de construction. Les liquides se solidifient rapidement et s'accumulent couche par couche. L'impression par jets de matière permet de créer des pièces très détaillées et précises avec des surfaces lisses.
Avantages de l'impression MJ :
- Résolution très élevée des détails des caractéristiques
- Excellente finition de la surface – ; lisse et brillante
- Supports dissolvables disponibles
- Possibilité de combiner plusieurs matériaux
Applications idéales de l'impression MJ :
- Modèles médicaux détaillés
- Prototypes haute fidélité
- Outils de fabrication tels que les gabarits et les guides
- Modèles et moulage de bijoux
Les inconvénients de la projection de matériaux sont les suivants : matériaux quelque peu fragiles, coûts d'équipement élevés et faibles volumes de production sur les machines bas de gamme. Le coût des matériaux est également assez élevé.
MJ Materials
La projection de matériaux utilise des résines photopolymères exclusives. Parmi les options possibles, citons
- Rigide Opaque – ; Pour les modèles visuels et les prototypes
- Rigide Transparent – ; Pièces transparentes en plastique
- Semblable à du caoutchouc – ; Pièces flexibles aux propriétés élastiques
- Haute température – ; Modèles et accessoires résistants à la chaleur
- Castable – ; Résines pour le moulage de bijoux
- Bio-compatible – ; Pour les dispositifs et outils médicaux
- En céramique – ; Dur et rigide avec une finition mate
Jetting de liant
Dans l'impression 3D par jet de liant, un agent de liaison liquide est déposé de manière sélective pour assembler couche par couche des matériaux en poudre. Le processus utilise deux matériaux – ; un matériau de base en poudre et un liant liquide. Le liant lie les particules de poudre entre elles pour former une pièce solide, une fine couche à la fois.
Avantages de la projection de liant :
- Bonne résistance et stabilité du matériau
- Possibilité de structures poreuses
- Large gamme d'options de matériaux
- Impression relativement rapide
Applications idéales de la projection de liant :
- Moulage de métal et de sable
- Objets en couleur
- Pièces fonctionnelles poreuses
- Grandes pièces en céramique
Les principales limites de la projection de liant sont une finition de surface rugueuse et des propriétés de matériaux poreux. L'infiltration est souvent nécessaire pour améliorer la résistance et la finition.
Matériaux de projection de liant
Le jet de liant peut utiliser de nombreuses poudres de base différentes combinées à des liants liquides. Les options de matériaux comprennent :
- Métaux – ; Acier inoxydable, aluminium, acier à outils, Inconel, titane, métaux précieux
- Sable – ; Pour les moules et les noyaux de moulage en sable
- Céramique – ; Alumine, zircone, phosphate tricalcique, verre
- Plastiques – ; Nylon, PBT, TPU, PMMA
- Sable de fonderie – ; Pour les moules et noyaux de coulée de métal
Dépôt d'énergie dirigée (DED)
Le dépôt par énergie dirigée (DED) utilise une source d'énergie thermique focalisée telle qu'un laser, un faisceau d'électrons ou un arc de plasma pour fusionner des matériaux en les faisant fondre au fur et à mesure qu'ils sont déposés. L'impression 3D par DED permet de fabriquer des pièces à partir de poudre ou de fil métallique.
Avantages de l'impression DED :
- Bonne intégrité structurelle des pièces métalliques imprimées
- Possibilité de construire de grands volumes
- Excellentes propriétés des métaux imprimés
- Les têtes de dépôt peuvent être montées sur des bras multi-axes ou des systèmes robotiques.
Applications idéales de l'impression DED :
- Pièces fonctionnelles et produits finis en métal
- Réparation et ajout de caractéristiques aux pièces métalliques existantes
- Composants pour l'aérospatiale et l'aviation
- Implants médicaux métalliques personnalisés
- Pièces détachées automobiles
Les limites de la technique DED comprennent une résolution plus faible sur les caractéristiques fines et des vitesses plus lentes par rapport aux techniques de fusion sur lit de poudre. L'équipement est également très coûteux.
Matériel DED
Le DED est utilisé pour imprimer des pièces à partir de divers métaux, notamment :
- acier inoxydable 316L, 17-4, 15-5, etc.
- Aluminium – ; AlSi10Mg, AlSi7Mg, Scalmalloy, etc.
- titane – ; Ti6Al4V, titane commercialement pur, nickel titane.
- Aciers à outils – ; H13, D2, M2 Acier rapide.
- Superalliages – ; Inconel 625, 718, etc.
- Métaux précieux – ; Or, argent, platine.
Powder Bed Fusion (PBF)
L'impression 3D par fusion de lit de poudre (PBF) fait référence à des processus dans lesquels l'énergie thermique fusionne sélectivement des régions d'un lit de poudre, couche par couche. Les deux principales technologies PBF sont le frittage sélectif par laser (SLS) et le frittage direct par laser métallique (DMLS).
Frittage sélectif par laser (SLS)
Comment fonctionne l'impression SLS :
- La poudre thermoplastique est étalée en fine couche sur une plaque de construction.
- Un laser scanne et sintérise la poudre pour la fusionner en une pièce solide.
- La plaque de construction s'abaisse et de la poudre est répandue sur le dessus.
- Le frittage couche par couche se poursuit jusqu'à ce que la pièce soit terminée.
Avantages de l'impression SLS :
- Bonnes propriétés des matériaux et résistance mécanique
- Variété de matériaux thermoplastiques disponibles
- Structures de soutien minimales nécessaires
- Permet des géométries complexes
Applications idéales de l'impression SLS :
- Prototypes fonctionnels
- Pièces et boîtiers d'utilisation finale
- Outils de fabrication tels que les gabarits et les montages
- Composants en nylon personnalisés
Les inconvénients de la SLS sont les surfaces poreuses, une résolution plus faible pour les caractéristiques fines et des volumes de fabrication plus faibles avec des machines plus petites. Les coûts des matériaux peuvent également être élevés.
Matériaux SLS
Les matériaux thermoplastiques SLS les plus courants sont les suivants
- Nylon 11 et 12 – ; Thermoplastiques techniques solides et semi-flexibles. Plastiques SLS les plus populaires.
- TPU 92A – ; Polyuréthane flexible avec des propriétés similaires à celles du caoutchouc.
- PEEK – ; Thermoplastique résistant à la chaleur avec d'excellentes propriétés mécaniques.
- Anciens élèves – ; Composite de nylon avec poudre d'aluminium, imite le métal.
- CarbonMide – ; Composite de nylon avec des fibres de carbone pour la résistance.
Frittage direct de métaux par laser (DMLS)
Comment fonctionne l'impression DMLS :
- Une fine couche de poudre métallique est étalée sur une plaque de construction.
- Un laser de haute puissance fait fondre et fusionne la poudre dans des zones désignées.
- La plaque s'abaisse et une plus grande quantité de poudre est distribuée sur le dessus.
- La fusion couche par couche se poursuit jusqu'à ce que la pièce soit complète.
Avantages de l'impression DMLS :
- Pièces métalliques entièrement denses avec d'excellentes propriétés des matériaux
- Géométries complexes et alliages sur mesure possibles
- Structures de soutien minimales requises
- Utilisation efficace de matériaux métalliques coûteux
Applications idéales de l'impression DMLS :
- Prototypes fonctionnels en métal
- Implants médicaux personnalisés comme les prothèses
- Composants aérospatiaux et automobiles
- Réparation des moules par ajout de métal
- Pièces métalliques légères et personnalisées telles que les supports
Le DMLS est plus lent pour l'impression de grandes pièces métalliques et les coûts d'équipement sont plus élevés que pour les procédés DED. Il peut être difficile de vérifier la composition exacte des alliages.
Matériaux DMLS
Le procédé DMLS est utilisé pour imprimer des alliages métalliques courants et exotiques, notamment :
- acier inoxydable 17-4, 316L, 304L, 15-5, etc.
- Aluminium – ; AlSi10Mg, AlSi7Mg, Scalmalloy, etc.
- titane – ; Ti6Al4V ELI, grade 5, grade 23.
- Acier à outils – ; H13, P20, D2, M2 Acier rapide.
- Inconel – ; Inconel 625, 718.
- Chrome cobalt – ; CoCrMo, BioDur CCM Plus, etc.
Production continue d'interface liquide (CLIP)
L'impression 3D à interface liquide continue (CLIP) utilise une fenêtre perméable à l'oxygène située sous le plan de projection de l'image ultraviolette pour créer en continu des modèles à partir d'un bassin de résine photopolymère durcissant aux UV.
Comment fonctionne l'impression CLIP :
- La lumière UV traverse une fenêtre perméable à l'oxygène et pénètre dans une cuve de résine liquide.
- La plate-forme de construction s'abaisse pour exposer la résine durcie qui se solidifie au-dessus de la fenêtre.
- Les motifs de lumière UV durcissent la résine et les couches inférieures fusionnent avec la plate-forme.
- L'extraction continue de la résine polymérisée permet des vitesses d'impression très rapides.
Avantages de l'impression CLIP :
- Impression extrêmement rapide – ; jusqu'à 100 fois plus rapide que SLA
- Technologie de fabrication productive
- Excellents états de surface et détails fins
- Faibles coûts d'exploitation par rapport à l'ANS
Applications idéales de l'impression CLIP :
- Fabrication en série de composants en plastique
- Prototypage en grande série
- Boîtiers pour appareils auditifs
- Aligneurs et appareils dentaires
- Boîtes et boîtiers en plastique
Les limites sont les volumes de construction plus petits et les options de matériaux moins nombreuses actuellement disponibles. Mais la technologie progresse rapidement.
Matériel CLIP
Les résines photopolymères actuellement utilisées pour l'impression 3D CLIP sont les suivantes :
- RIGUR® RPS – ; Matériau robuste et rigide résistant à la chaleur.
- RIGUR® BPA – ; Matériau optiquement transparent.
- RIGUR® ABA – ; Matériau plastique polyvalent, abordable et facile à imprimer.
Fabrication d'objets stratifiés (LOM)
La fabrication d'objets stratifiés (LOM) consiste à coller de fines feuilles de matériau à l'aide de chaleur et de pression, puis à découper les sections transversales d'un objet couche par couche.
Comment fonctionne l'impression LOM :
- Une feuille de papier, de plastique ou de métal est roulée sur la plate-forme de construction.
- Un rouleau chauffé lamine la feuille sur la couche précédente.
- Un laser ou une lame découpe le contour de la section transversale de la pièce.
- Le matériau excédentaire est découpé et enlevé
- Une autre feuille est ajoutée par-dessus et le processus se répète
Avantages de l'impression LOM :
- Large gamme de matériaux de stratification
- Ne nécessite pas de matériel de soutien supplémentaire
- Possibilité de produire des objets de grande taille
- Coût d'équipement relativement faible
Applications idéales de l'impression LOM :
- Modèles conceptuels construits à partir de papier stratifié
- Objets en bois tels que meubles et enseignes
- Emballages et éléments de présentation en carton
- Composites renforcés par des fibres
La précision des pièces et la finition des surfaces tendent à être inférieures à celles des autres procédés d'impression 3D. De plus, le matériau stratifié peut entraîner des propriétés anisotropes.
Matériaux LOM
Différents matériaux en feuilles peuvent être utilisés pour la fabrication d'objets stratifiés :
- Papier – ; Papier, carton et feuilles de carton adhésifs
- Plastiques – ; ABS, polypropylène, polycarbonate
- Métaux – ; Acier inoxydable, titane, aluminium
- Composites – ; Fibre de verre, fibre de carbone
Multi Jet Fusion (MJF)
L'impression par fusion multijet (MJF) utilise une série de têtes d'impression à jet d'encre pour déposer sélectivement des agents de fusion et de détail sur un lit de poudre afin de fondre et de fusionner entièrement le matériau couche par couche avec une grande précision.
Comment fonctionne MJF Printing :
- Une couche de poudre est étalée sur la plate-forme de construction.
- Les têtes d'impression déposent des agents de fusion et de détaillage
- Les lampes infrarouges font fondre et fusionner la poudre où l'agent de fusion a été déposé.
- La poudre non fusionnée sert de support jusqu'à ce qu'elle soit retirée ultérieurement.
- Les couches supplémentaires s'accumulent jusqu'à ce que la pièce soit complète
Avantages de l'impression MJF :
- Bonne précision et bons états de surface
- Excellentes propriétés mécaniques
- Impression productive avec des vitesses de construction rapides
- Aucune structure de soutien n'est nécessaire
Applications idéales de l'impression MJF :
- Prototypes fonctionnels avec de bonnes propriétés matérielles
- Production de moulage par injection à court terme
- Pièces d'utilisation finale durables et précises
- Canaux de refroidissement conformes dans l'outillage
Les options de matériaux sont actuellement limitées à quelques thermoplastiques haute performance de HP. Mais la technologie progresse rapidement.
MJF Materials
L'impression 3D MJF utilise les thermoplastiques haute performance de HP :
- AP 11 – ; Nylon conçu pour une bonne résistance mécanique et thermique.
- PA 12 – ; Nylon avec de superbes propriétés mécaniques et idéal pour de nombreuses utilisations.
- PA 12 GB – ; Nylon 12 renforcé par des billes de verre pour la rigidité et la stabilité dimensionnelle.
- PEEK – ; Thermoplastique exceptionnel avec une résistance à la chaleur et d'excellentes propriétés mécaniques.
Frittage par inhibition sélective (SIS)
Le frittage par inhibition sélective (SIS) utilise un agent de fusion pour lier sélectivement les matériaux en poudre couche par couche. Un inhibiteur est imprimé pour empêcher le frittage dans les zones non désirées.
Comment fonctionne l'impression SIS :
- La poudre est répandue sur la plate-forme de construction
- Un jet d'encre dépose un inhibiteur pour définir les contours de la pièce
- L'ensemble du lit de poudre est uniformément exposé à la chaleur ou à la lumière UV.
- L'agent de fusion provoque le frittage de la poudre, sauf si l'inhibiteur l'empêche.
- L'excédent de poudre est aspiré après chaque couche.
Avantages de l'impression SIS :
- Pièces en métal dense, en plastique ou en céramique
- Aucune structure de soutien n'est nécessaire
- La poudre non utilisée est réutilisable
- Déchets minimaux de matériaux
Applications idéales de l'impression SIS :
- Produits de consommation personnalisés en masse
- Quincaillerie métallique personnalisée
- Objets d'art et de décoration en céramique
- Fabrication de gabarits d'assemblage
Actuellement, cette technologie n'est commercialisée que par quelques entreprises telles qu'ExOne, mais elle pourrait être plus largement adoptée à l'avenir.
Matériel SIS
Plusieurs matériaux peuvent être utilisés pour le frittage sélectif par inhibition :
- Plastiques Nylon 11 et 12, élastomère TPU.
- Métaux Acier inoxydable, acier à outils, bronze, carbure de tungstène.
- Céramique – ; Sable de silice, alumine, phosphate tricalcique, zircone.
- Verre – ; Verre sodocalcique, verre borosilicaté.
Résultat final
Il existe de nombreuses technologies d'impression 3D différentes, chacune ayant des capacités uniques. Comprendre les principales caractéristiques de chaque processus permet de sélectionner la technologie optimale pour une application donnée en fonction de facteurs tels que les matériaux requis, la précision, l'état de surface, la vitesse de fabrication, les coûts, etc. Les technologies les plus courantes comme FDM et SLA sont des choix économiques pour la modélisation de concepts et le prototypage. Pour la production en petite série de pièces en plastique destinées à un usage final, les technologies MJF et SLS offrent de bonnes propriétés mécaniques avec une productivité élevée. La bijouterie, les appareils médicaux et les composants d'ingénierie avancée bénéficient d'une précision et d'une finition de surface exceptionnelles grâce à des technologies telles que le jet de matière, le CLIP et le jet de liant. Les technologies DED et DMLS ouvrent de nouvelles portes pour l'impression directe de pièces métalliques fonctionnelles destinées à l'aérospatiale, à l'automobile et au secteur médical. Avec des systèmes de plus en plus rapides, économiques et performants, l'impression 3D révolutionne la manière dont les produits peuvent être conçus, personnalisés et fabriqués dans presque tous les secteurs.
FAQ
Quelle est la technologie d'impression 3D de bureau la plus abordable ?
La modélisation par dépôt en fusion (FDM) est généralement la technologie d'impression 3D de bureau la plus abordable et la plus accessible pour les amateurs et les entreprises aujourd'hui. De nombreuses imprimantes 3D FDM sont disponibles auprès de sociétés telles que Creality, Prusa Research, FlashForge et d'autres, qui offrent de bonnes capacités à bas prix.
Quelle technologie permet d'obtenir le meilleur état de surface et la meilleure résolution des détails ?
Parmi les technologies d'impression 3D courantes, la stéréolithographie (SLA) et le jet de matière (MJ) offrent la meilleure qualité de finition de surface, de détails fins et de précision globale des pièces. Toutefois, les coûts d'équipement tendent à être nettement plus élevés.
Quel est le meilleur procédé d'impression 3D pour les pièces métalliques fonctionnelles ?
Le dépôt par énergie dirigée (DED) et le frittage laser direct de métaux (DMLS) sont deux des principales technologies d'impression 3D de composants métalliques entièrement denses et fonctionnels. Le DED permet de fabriquer des pièces à partir de poudres ou de fils métalliques soudés, tandis que le DMLS permet de fondre et de fusionner de manière sélective des couches de poudres métalliques.
Quelle est la technologie idéale pour les produits plastiques personnalisés en série ?
La fusion multijet (MJF) de HP permet la production économique en petite série de pièces plastiques de précision dotées d'excellentes propriétés mécaniques, ce qui en fait une solution idéale pour la personnalisation de masse et la fabrication rapide. Le processus est également très rapide.
Peut-on imprimer en 3D des pièces en céramique ?
Oui, plusieurs technologies d'impression 3D prennent en charge les matériaux céramiques. Le jet de liant permet d'imprimer de grands objets en céramique en liant un matériau en poudre avec un liant liquide. Le frittage par inhibition sélective permet également d'obtenir des pièces en céramique de haute densité en frittant la poudre couche par couche.
Quel est le procédé d'impression 3D le plus rapide ?
La production continue d'interfaces liquides (CLIP) est la technologie d'impression 3D la plus rapide actuellement disponible, capable d'imprimer des pièces plastiques fonctionnelles jusqu'à 100 fois plus vite que l'impression 3D SLA. Elle est donc viable pour les applications de fabrication de masse. Des imprimantes CLIP de bureau sont désormais disponibles.