L'impression 3D SLS (frittage laser sélectif) a révolutionné la manière dont les objets tridimensionnels complexes sont créés, offrant une liberté de conception et une polyvalence inégalées dans le choix des matériaux. Cette technologie révolutionnaire utilise des lasers et des matériaux en poudre pour construire des objets couche par couche, ouvrant un monde de possibilités pour diverses industries, de la prototypage à la production.
La poudre SLS est généralement fournie en quantités importantes, mesurées couramment en kilogrammes ou en litres. Les fournisseurs proposent généralement des poudres SLS dans différentes tailles d'emballage pour répondre aux besoins des utilisateurs, allant de petites quantités, comme quelques kilogrammes, à des quantités plus importantes, comme des dizaines ou des centaines de kilogrammes. Le choix de la quantité de poudre dépend de l'échelle des projets d'impression 3D prévus et de la fréquence d'utilisation des matériaux.
Connaître la capacité d'impression de 1 kg de poudre SLS présente de nombreux avantages. Cela permet non seulement d'optimiser les ressources et de mieux gérer les coûts, mais également de planifier et d'ajuster les projets, d'optimiser la satisfaction client et de réduire les délais. Le volume de 1 kg de poudre SLS peut varier en fonction du matériau spécifique utilisé (sa densité), mais en général, on estime souvent qu'1 kg de poudre SLS occupe un volume d'environ 2 à 2.5 litres. La question est donc : combien de pièces ou quelle taille de pièce peut-on imprimer avec cette quantité de poudre SLS ? La réponse dépend de nombreux facteurs.
Quels facteurs entrent en jeu ?
La quantité pouvant être imprimée avec 1 kg de poudre SLS (Frittage Laser Sélectif) dépendra largement du matériau spécifique de la poudre, de la taille et de la complexité de la pièce, ou du niveau de détail souhaité. Néanmoins, il existe trois principaux facteurs à prendre en compte lors de la conception, de l'impression et du post-traitement, afin de tirer le meilleur parti d'une quantité donnée de poudre SLS dans un projet donné. Ces facteurs sont les suivants :
La quantité pouvant être imprimée en 3D avec 1 kg de poudre SLS sera démontrée à l'aide de l'exemple de la poudre SLS PA12 Industrielle de Sinterit et de l'imprimante SLS 3D compacte Lisa X. L'orientation de la pièce, la densité de placement et le rafraîchissement de la poudre seront pris en compte. Ces concepts seront d'abord expliqués brièvement, puis l'exemple de Sinterit sera discuté, en fournissant des paramètres d'impression spécifiques et les résultats finaux de la quantité de poudre utilisée.
Orientation de la pièce
L'orientation de la pièce est un aspect critique de l'impression 3D SLS qui a un impact significatif sur la qualité des pièces imprimées en termes de finition de surface, d'intégrité structurelle (déformation et distorsion) et de propriétés mécaniques, ainsi que sur les exigences de support. Cependant, l'orientation de la pièce affecte également la quantité de poudre nécessaire pour l'impression. Plus la pièce/arrangement est grand(e), plus de couches sont nécessaires et donc plus de poudre sera utilisée.
Recommandations pour l'orientation de la pièce
Lorsqu'un parallélépipède de 100 x 10 x 10 mm est imprimé à plat sur le côté le plus long, il ne nécessite que 57 à 133 couches (en fonction de la précision choisie). Mais si le même parallélépipède est tourné de 45º uniquement selon l'axe Y, le nombre de couches nécessaires pour réaliser la pièce sera multiplié par sept environ. Cela peut sembler être une occasion parfaite d'économiser du matériau en choisissant une orientation horizontale plutôt qu'une orientation verticale, mais en le faisant, nous risquons la déformation et la courbure de la pièce.
Lorsque les pièces imprimées en 3D refroidissent après l'impression, les différentiels de température peuvent entraîner des contraintes thermiques. Les coins d'une pièce ont tendance à refroidir plus rapidement que l'intérieur, entraînant une rétractation inégale. Cela peut entraîner une déformation, en particulier si le refroidissement se produit rapidement ou si le matériau a un coefficient de dilatation thermique élevé.
Il faut garder à l'esprit que toutes les pièces ne peuvent pas être imprimées à plat en raison de problèmes potentiels de déformation et de courbure, et dans de tels cas, la meilleure orientation doit être choisie indépendamment du nombre de couches et du matériau requis pour construire la pièce.
Image 1: Recommandations pour l'orientation des pièces en impression 3D SLS. Source : Sinterit.
Les autres règles d'or de positionnement des pièces pour de meilleurs résultats en impression 3D SLS comprennent :
- Placer le modèle au centre inférieur du plateau d'impression (pour une meilleure répartition de la chaleur) et ajouter plus de modèles vers les bords et du bas vers le haut.
- Les modèles doivent également être répartis uniformément (avec des espaces de plus de 4 mm).
- Les petits modèles peuvent être placés à l'intérieur des plus grands pour une optimisation supplémentaire.
- Il est souhaitable d'avoir la même surface d'impression dans chaque couche si possible.
- Si l'objectif est une finition de surface très lisse, les pièces doivent être positionnées vers le bas (les parties inférieures ont tendance à être les plus lisses avec l'impression 3D SLS).
- Si des bords ou des détails nets sont requis, il faut faire l'inverse (pièces tournées vers le haut).
- Pour obtenir une précision dimensionnelle dans les pièces comportant des trous, des canaux et des ouvertures, ces éléments doivent être placés parallèlement à l'axe Z.
- Il en va de même pour les pièces mobiles, qui doivent également avoir un espace fonctionnel de jeu de 0.2 à 0.5 mm entre les éléments mobiles.
L'exemple
Mis à part les problèmes de déformation, pour démontrer combien peut être imprimé avec 1 kg (2 l) de PA12 Industrielle sur Lisa X, une conception simple d'engrenage sera utilisée. Pour cette conception particulière, une orientation à plat est parfaite car elle garantit la netteté des détails de l'engrenage, ainsi qu'une meilleure distribution de la chaleur vers le haut à travers les trous et les perforations. Ce risque est également réduit grâce à la forme cylindrique de l'engrenage, car les cylindres n'ont pas de coins.
Image 2 : Huit engrenages ont été placés sur une seule plaque de construction. Source : Sinterit.
En tenant compte de tout cela, huit engrenages ont pu être placés grâce à un arrangement plat. Une fois la conception stratifiée avec une hauteur de couche de 0.125 mm, la quantité estimée de poudre nécessaire était d'environ 1.92 l (donc légèrement moins de 1 kg). De plus, une fois l'impression terminée, la poudre non frittée devait être rafraîchie pour être utilisable pour une nouvelle impression. Ce processus nécessitait l'ajout d'environ 0.54 l de poudre SLS fraîche (environ 0.3 kg) à la poudre non frittée récupérée.
Densité de remplissage
La densité de remplissage joue un rôle crucial dans l'impression 3D SLS car elle influence à la fois le coût et la qualité des pièces imprimées. La densité de remplissage se réfère à l'agencement des pièces dans la chambre d'impression, déterminant à quel point elles sont serrées les unes contre les autres. Une densité de remplissage plus élevée signifie que plus de pièces peuvent être imprimées simultanément, optimisant l'utilisation de la poudre disponible et réduisant les coûts matériels par pièce.
Image 3 : Un lit d'impression rempli à environ 40 %. Source : Sinterit.
De plus, un agencement plus dense peut améliorer le transfert de chaleur pendant le processus d'impression, minimisant la déformation et favorisant la précision dimensionnelle. Cependant, une densité de remplissage élevée nécessite une réflexion minutieuse pour assurer une utilisation efficace de l'espace tout en maintenant la qualité d'impression. Vous pouvez en lire plus sur la densité de remplissage dans cet article de Sinterit.
L'exemple
Pour la conception d'engrenage montrée dans l'image 2, en atteignant une densité de remplissage de 7 % sur le plateau d'impression, il a été possible d'obtenir un prix inférieur par pièce pour cette impression. La densité de remplissage de 7 % correspond à un prix de 2.49 € par pièce (pour une imprimante 3D Lisa X), et plus la densité de remplissage est élevée, plus le coût de la pièce sera réduit.
Image 4 : Une densité de remplissage plus élevée optimise l'utilisation de la poudre et réduit le coût par pièce. Source : Sinterit.
Le placement le plus optimal des pièces sur la plateforme de construction peut être simulé par un logiciel de stratification. Ces outils peuvent optimiser l'agencement des pièces pour obtenir une densité de remplissage plus élevée, en tenant compte de facteurs tels que l'orientation des pièces, l'emboîtement et la minimisation de l'espace inutilisé. L'analyse peut fournir des mesures quantitatives telles que l'efficacité de l'agencement ou le pourcentage d'utilisation de l'espace.
Rafraîchissement de la poudre
En raison de la nature du processus SLS, où seul le matériau utilisé dans la pièce réelle est fritté, la poudre non frittée restante peut être collectée, tamisée et mélangée avec de la poudre fraîche pour maintenir un lit de poudre cohérent pour les impressions ultérieures. Cela se fait généralement à l'aide d'outils spécialisés de poudre dédiés et de stations de manipulation de la poudre. Certaines poudres nécessitent un taux de rafraîchissement pouvant atteindre 60 %, tandis que d'autres n'ont pas besoin d'être rafraîchies du tout.
Vidéo 1 : Rafraîchissement de la poudre SLS. Source : Sinterit.
En rafraîchissant efficacement et en réutilisant la poudre non frittée, l'impression SLS devient plus rentable et respectueuse de l'environnement, réduisant les déchets de matériau et maximisant l'utilisation de la poudre. Le rafraîchissement de la poudre contribue à assurer des conditions d'impression optimales, car il réapprovisionne toute poudre épuisée et maintient les caractéristiques souhaitées de la poudre, telles que la fluidité et la distribution des particules. Vous pouvez trouver davantage de conseils sur le rafraîchissement de la poudre ici.
L'exemple
La conception de l'engrenage a un volume d'environ 100 cm³. En supposant que deux litres de poudre (1 kg) correspondent à 2000 cm³, il reste environ 1.8 litre de poudre non frittée à utiliser. La quantité n'est pas de 1.9 litre car le processus d'impression 3D SLS fait doubler la densité de la poudre frittée, de sorte que le volume final de la conception est en réalité de 200 cm³. À l'aide des outils et dispositifs de post-traitement de la poudre, les 1.8 litre restants (presque un kilogramme) de poudre peuvent être récupérés et réutilisés après avoir ajouté le pourcentage adéquat de poudre fraîche. En conclusion, dans le cas de la conception de l'engrenage, 1 kg de poudre pourrait produire de nombreuses autres séries de cette conception.
Conclusions
Les imprimantes 3D SLS compactes offrent une excellente rentabilité lorsqu'il s'agit de produire de petites séries. L'investissement initial en matériaux d'impression est relativement faible à condition de respecter certaines règles de positionnement, de densité de remplissage du plateau et de rafraîchissement de la poudre.
Comme le montre l'exemple de la conception de l'engrenage imprimée avec l'imprimante Sinterit Lisa X et la poudre PA12 Industrial, 1 kg de poudre peut produire plusieurs séries de la conception avec 8 pièces positionnées de manière optimale, disposées avec une densité de remplissage de 7 % sur le plateau d'impression.
