Résines avancées pour l'impression 3D

L'un des principaux obstacles que l'impression 3D sur résine a toujours rencontré lors de sa mise en œuvre au niveau industriel a été la variété limitée des matériaux disponibles. À l'origine, les seuls matériaux disponibles étaient des résines à base d'oligomères d'acrylate, généralement de faible poids moléculaire, qui se distinguaient par leur grande fragilité et leurs faibles propriétés mécaniques et thermiques. Pour cette raison, l'impression 3D en résine a toujours été reléguée au second plan dans la production de composants fonctionnels et de prototypes, au profit de technologies d'impression 3D à base de thermoplastique telles que FDM ou SLS.

Cependant, ces dernières années, la situation a changé de façon spectaculaire. L'émergence de nouvelles résines techniques aux propriétés avancées et développées spécifiquement pour certaines applications professionnelles a attiré l'attention de nombreuses industries sur cette technologie. Combiné à l'émergence de nouvelles technologies d'impression 3D à base de résine, telles que les LED-LCD, qui ont permis de réduire les coûts et d'augmenter considérablement la vitesse d'impression, il s'agit d'une alternative viable, qui pourrait même surpasser le FDM et le SLS dans certains domaines d'application.

Ces résines techniques peuvent être classées en trois groupes, en fonction du domaine sur lequel elles portent :

• Résines de bijouterie
• Résines dentaires
• Résines d'ingénierie

RÉSINES DE BIJOUTERIE

Historiquement, l'industrie de la bijouterie a été la première à mettre en œuvre l'impression 3D sur résine. Ceci est dû à la haute résolution offerte par cette technologie, capable de produire de petits modèles à l'échelle 1:1 avec des finitions de haute qualité.

Image 1 : Modèle de bijou imprimé en résine. Source : uniz.com

Bien que les résines standard soient largement utilisées pour la production de modèles, ce qui a signifié un avant et un après a été l'émergence de résines coulables de haute qualité. Ces résines se distinguent par le fait qu'elles ne laissent pratiquement aucun résidu lors de la calcination, ce qui en fait un parfait substitut aux modèles en cire utilisés à l'origine pour la coulée.

Grâce à cela, il est possible d'imprimer directement l'arbre de coulée, sans avoir besoin de faire des moules pour produire les maîtres de cire ou d'assembler manuellement les arbres, ce qui réduit les étapes manuelles et automatise le processus.

Vidéo 1 : Préparation traditionnelle d'un arbre de cire. Source : greekerajewelry.com

En général, ce type de résine peut inclure dans sa composition un pourcentage de cire liquide destiné à éliminer tout résidu de cendre, produisant un moule propre, adapté à un moulage de qualité. Un pourcentage plus élevé de cire produira une calcination plus propre, et avec moins de résidus, cependant, cela peut affecter la précision de l'impression. En outre, ce type de résine se caractérise généralement par un très faible coefficient de dilatation.

Il existe actuellement sur le marché plusieurs options de résines de brûlage de haute qualité qui sont conformes aux normes SLA, DLP ou LED-LCD. La combinaison d'un faible résidu, d'une faible expansion thermique et d'une grande précision est mise en évidence par les résines Formlabs "Castable Wax" avec 20% de cire ou ZWax Purple avec 10% de cire et compatibles avec les imprimantes DLP et LED-LCD.

Image 2 : Bague imprimée avec de la cire zWax Purple. Source : Uniz.com

RÉSINES DENTAIRES

Avec la joaillerie, le secteur dentaire a été l'un des premiers à adopter l'impression en résine en 3D, et est aujourd'hui le secteur qui connaît la plus forte croissance avec la plus large gamme de matériaux.

Les résines dentaires peuvent généralement être regroupées en quatre catégories en fonction de leur application :

• Résines pour modèles dentaires.
• Résines pour appareils de rétention et attelles.
• Résines pour couronnes et bridges provisoires
• Résines brûlables

Résines pour modèles dentaires

Il s'agit de résines qui ne sont pas conçues pour être en contact avec le patient. Ils sont généralement utilisés pour la production de modèles de patients sur lesquels le professionnel dentaire ou médical peut travailler afin de planifier des interventions ou de tester des éléments tels que des couronnes ou des bridges. Leur composition est similaire à celle des résines standard et ils sont principalement destinés à avoir une grande précision et une grande résolution, ainsi qu'un faible coût de production.

Image 3 : Modèle 3D imprimé en résine. Source : Uniz.com

Il est également important dans ces résines qu'elles aient certaines qualités esthétiques, en distinguant deux groupes :

• Des résines avec finition mate, qui facilitent la visualisation et la photographie des modèles en évitant autant que possible l'apparition de reflets. Parmi ce type de résine, la résine Dental Model de Formlabs se distingue, avec une finition similaire au plâtre.
• Des résines qui donnent un aspect réaliste, comme la résine Dental Pink de Harzlabs.

Résines pour appareils de rétention et attelles

Ces résines sont destinées à la fabrication d'appareils de rétention et d'attelles, par conséquent, en plus d'avoir une biocompatibilité de classe IIa au minimum, elles doivent avoir une excellente résistance à l'usure et à la fracture.

Une autre caractéristique commune est qu'ils présentent généralement une grande transparence, principalement pour des raisons esthétiques.

Vidéo 2 : Fabrication d'attelles à l'aide de l'impression 3D en résine. Source : Formlabs.com

Outre la production d'appareils de maintien et d'attelles, ils sont largement utilisés dans la fabrication de guides chirurgicaux en raison de leur bonne compatibilité et de leurs excellentes propriétés mécaniques. Certains fabricants tels que Formlabs incluent une résine spécifique pour cette application, comme la résine Dental Surgical Guide, qui offre une plus grande flexibilité.

Image 4 : Guides chirurgicaux imprimés à l'aide de SLA. Source : Formlabs.com

Il est possible de trouver des résines développées pour la production d'attelles et d'appareils de rétention compatibles SLA comme Formlabs Dental LT, ainsi que des DLP et LED-LCD comme Dental Clear de Harzlabs.

Résines pour couronnes et bridges provisoires

Ce sont des résines utilisées pour produire des ponts, des couronnes, des restaurations et des facettes temporaires. Elles doivent être biocompatibles et offrir une finition similaire à celle des dents originales.

Pour obtenir cette finition, en général on utilise des composants céramiques et des teintures qui donnent des nuances dans l'échelle VITA.

Image 5 : Carte de couleurs VITA. Source : vita-zahnfabrik

Une fois imprimées, ces résines peuvent être polies et teintées avec des revêtements photopolymérisés pour obtenir la finition idéale pour chaque patient.

La résine Temporary CB de Formlabs, disponible en quatre teintes VITA (A2, A3, B1 et C2) et la résine Dental Sand de Harzlabs, disponible dans les teintes A1 et A2, se distinguent.

Résines calcinables

Résines similaires à celles utilisées en bijouterie. Dans ce cas, la nécessité de produire le moins de déchets possible est encore plus critique.

Ils sont principalement utilisés dans la production de modèles pour la fabrication d'implants dentaires par coulée. La résine Harzlabs Dental Cast se distingue, avec un résidu inférieur à 0,1 %.

RÉSINES D'INGÉNIERIE

Le secteur de l'industrie et de l'ingénierie a toujours été le plus réticent à mettre en œuvre l'impression 3D sur résine. Cela est principalement dû au fait que, sur le plan mécanique et thermique, les résines ne peuvent pas concurrencer les matériaux d'ingénierie disponibles pour le FDM ou les polyamides utilisés dans le SLS.

Bien que cela soit encore vrai aujourd'hui, ces dernières années, les progrès des matériaux et l'émergence de nouvelles résines techniques ont comblé le fossé entre les différentes technologies d'impression 3D. Il existe trois groupes de résines d'ingénierie :

• Résines aux propriétés mécaniques améliorées
• Résines aux propriétés thermiques améliorées
• Résines souples et élastiques

Résines aux propriétés mécaniques améliorées

Il s'agit de résines développées dans le but d'offrir une plus faible fragilité et un module plus élevé que les résines standard. Alors que les résines standard telles que la résine de base Harzlabs offrent une résistance à la traction de 20 MPa, de nouvelles résines techniques telles que l'Ultracur3D RG50 de BASF offrent jusqu'à 68 MPa, soit trois fois la résistance à la traction. Cette résistance à la traction est encore plus élevée que celle fournie par les filaments d'ABS et proche de matériaux tels que le nylon renforcé.

Des résines d'ingénierie ayant d'autres propriétés spécifiques, telles que des résines à haute résistance à l'usure ou aux chocs, ont également fait leur apparition.

Image 6 : Comparaison de la résistance aux chocs de différentes résines Formlabs Source : Formlabs.com

Parmi les résines à haute résistance aux chocs, on distingue la gamme Ultracur3D High Impact de BASF Ces résines offrent une résistance à la traction de 50 MPa avec une déformation à la rupture de 56%, un module de flexion de 1700 MPa et une résistance aux chocs de 1,39 J/m2. Cela les rend idéales pour la production de composants mécaniques et de prototypes fonctionnels.

Image 7 : Résine BASF Ultracur3D RG35. Source : forward-am.com

Résines aux propriétés thermiques améliorées

La résistance thermique a toujours été l'un des points faibles des résines d'impression 3D. En général, toutes les résines ont des températures de ramollissement comprises entre 50°C et 80°C.

Image 8 : Comparaison de la température de déflexion de la chaleur de différentes résines Formlabs. Source : Formlabs.com

Actuellement, l'offre de résines pour les applications à haute température est très limitée, la résine High Temp de Formlabs étant la plus importante. Il s'agit d'une résine capable de supporter des températures allant jusqu'à 142 ºC une fois durcie (sous une charge de 0,45 MPa). Le principal avantage de cette résine est qu'il est possible d'augmenter sa résistance thermique à 238 ºC en appliquant aux pièces un traitement thermique consistant à les chauffer à 60 ºC pendant une heure, puis à 160 ºC pendant une heure et demie.

Résines souples et élastiques

L'un des principaux handicaps des résines d'impression 3D a toujours été leur grande fragilité, une propriété non désirée en ingénierie. C'est pourquoi l'apparition, ces dernières années, de résines souples et élastiques a été une révolution.

Image 9 : Comparaison entre la résine flexible 80A et la résine élastique 50A. Source : FormLabs.

Il existe actuellement plusieurs options pour les SLA et les LED-LCD. En SLA, les résines Flexible 80A et Elastique 50A se distinguent. Le Flexible 80A est une résine à haute flexibilité, qui présente une déformation à la rupture de 120 % et une dureté de 80 Shore A, tandis que l'Elastic 50A est une résine à bonne élasticité, une déformation à la rupture de 160 % et une dureté de 50 Shore A.

Toutefois, l'une des plus importantes percées dans ce type de matériau est la nouvelle gamme de résines souples et élastiques de BASF. Il s'agit de résines à base d'oligomères uréthane-acrylate, qui offrent la plus grande flexibilité et élasticité parmi les résines actuellement disponibles. La résine BASF Ultracur3D FL300, par exemple, d'une dureté de seulement 37 Shore A, permet une déformation à la rupture pouvant atteindre 306 %.

Image 7 : Résine BASF Ultracur3D FL60. Source : forward-am.com

Ces dernières années, l'offre de matériaux pour l'impression 3D en résine a connu une croissance exponentielle, y compris de nouveaux matériaux dont les propriétés correspondent et même dans certains cas dépassent celles des thermoplastiques pour FDM. Ceci, associé au fait que l'impression en résine 3D offre une isotropie supérieure à celle du FDM, en fait une option viable dans de nombreuses applications industrielles et d'ingénierie.