Imprimantes 3D en résine : SLA, DLP et LED-LCD

L'impression 3D de résines photodurcissables a gagné du terrain ces dernières années pour devenir la deuxième technologie d'impression 3D la plus populaire après FFF, tant dans les environnements professionnels que chez les fabricants. Ce boom est le résultat de deux facteurs importants. D'une part, le coût inférieur des imprimantes 3D en résine, dû à l'émergence de nouvelles technologies, a placé les imprimantes en résine dans le même segment de prix que FFF. D'autre part, l'émergence de nouveaux matériaux tels que les résines dentaires, flexibles et techniques a permis de produire des pièces en résine qui n'étaient auparavant viables qu'au moyen de FDM ou de SLS.

Le principal atout de l'impression 3D sur résine, qui a attiré l'attention de certains secteurs professionnels comme la dentisterie ou la bijouterie, est la haute résolution qu'elle permet d'obtenir, allant de 50 µm à 150 µm en XY et de 30 µm à 200 µm en Z, ce qui est inférieur à la résolution minimale d'une imprimante 3D FFF. En conséquence, les pièces imprimées à la résine ont une qualité de surface et un niveau de détail élevés, ce qui leur confère la plus haute qualité esthétique de toutes les technologies de fabrication d'additifs.

Fondement pour l'impression 3D en résine

L'impression 3D en résine est basée sur un principe complètement différent de celui utilisé dans la plupart des technologies d'impression 3D telles que FFF ou SLS. Alors que dans celles-ci, un polymère thermoplastique est utilisé comme point de départ et chauffé à la température de fusion pour former la pièce, l'impression de résine est basée sur la polymérisation d'un mélange réactif de monomères et d'oligomères par application sélective de lumière. Cela implique qu'au lieu d'utiliser le plastique comme matière première, on utilise dans l'impression de résine les composants basiques qui composent le plastique et celui-ci est formé par réaction chimique pendant le processus d'impression.

Les résines pour l'impression 3D sont principalement composées de trois composants :

Monomères et oligomères : ce sont de petites molécules qui réagissent entre elles pour former de longues chaînes de polymères, qui sont le composant fondamental du plastique. La longueur de ces chaînes déterminera en grande partie leurs propriétés

Agent de réticulation : Consiste en molécules plus ou moins grandes comportant deux ou plusieurs groupes réactifs capables de se lier en divers points aux chaînes de polymères. Sa fonction est de maintenir les chaînes fermement reliées les unes aux autres. En général, les plastiques formés en présence d'agents de réticulation donnent naissance à ce que l'on appelle des plastiques ou des résines thermodurcissables.

Photoinitiateur : Il est chargé de favoriser la réaction entre les monomères ou de ceux-ci avec l'agent de réticulation. Ce sont des molécules organiques, généralement des colorants ou des fluorophores, capables de produire des cations ou des radicaux libres en présence de lumière à une longueur d'onde donnée, initiant ainsi des réactions de polymérisation radicalaire ou cationique.

La lumière, généralement bleue (405 nm) ou violette (365 nm - 385 nm), est utilisée pour activer les photo-initiateurs et faire solidifier la résine, car c'est la bande la plus énergétique du spectre visible. Pour ce faire, seules les zones qui feront partie de la pièce sont éclairées dans chaque couche.

Image 1 : Spectre lumineux visible. Source : Wikipedia.com

Les technologies d'impression en résine 3D sont déterminées par le type de source de lumière et la méthode d'éclairage sélectif utilisée. Il existe actuellement trois technologies communes : SLA, DLP et LED-LCD.

Impression 3D SLA

L'impression 3D SLA ou stéréolithographie est la plus ancienne technologie commerciale d'impression 3D. Elle a été développée pendant la première moitié des années 1980 et breveté en 1986 par Chuck Hull, fondateur de 3D Systems, trois ans seulement avant que Scott Crump, fondateur de Stratasys, ne fasse breveter la technologie FDM.

Dans l'impression 3D SLA, la résine est durcie à l'aide d'un rayon laser de 150 à 300 µm de diamètre. Le laser balaie la surface de chaque couche à l'aide d'un système de miroirs mobiles appelé galvanomètre. Le principal avantage de cette technologie est la grande précision qu'elle permet d'obtenir, en particulier dans la zone centrale de la plate-forme de construction, qui n'est dépassée que par la technologie SLS.

Image 2 : Processus d'impression des SLA. Source 3Dhubs.com

Un autre avantage, dérivé en partie de cette haute précision, est qu'elle permet d'obtenir des finitions de surface supérieures à celles obtenues avec les DLP et les LED-LCD, car elle n'a pas l'effet d'escalier que l'on peut voir dans ces derniers.

Image 3 : Finition de surface en impression 3D SLA et DLP. Source : Formlabs.com

Cependant, tout n'est pas un avantage, car il s'agit de la technologie d'impression sur résine la plus lente. Pour chaque couche, toute la surface de la pièce doit être balayée au laser, ce qui est un processus lent qui augmente avec le nombre de pièces que nous positionnons dans l'espace de construction. En outre, il est nécessaire de maintenir les vitesses de balayage dans une plage spécifique, car des vitesses très élevées entraîneraient une perte de précision, principal atout de cette technologie.

Vidéo 1 : Comment fonctionne l'impression SLA. Source : Formlabs.com

C'est la technologie utilisée par les célèbres imprimeurs Formlabs, la marque de référence pour l'impression sur résine. Les imprimantes telles que la Form 3 ou la Form 3B utilisent cette technologie en conjonction avec des galvanomètres de haute précision pour offrir les normes de qualité les plus élevées dans des secteurs critiques tels que la haute joaillerie, la dentisterie ou la médecine.

Image 4 : Imprimante Form 3B. Source : Formlabs.com

Impression 3D DLP

La technologie d'impression 3D DLP a été développée dans le but de réduire les temps d'impression 3D en résine . Au lieu de balayer la surface de la pièce avec un laser, l'ensemble de la couche est projeté simultanément à l'aide d'une source lumineuse, d'un dispositif composé d'un réseau de micro-miroirs mobiles appelé DMD (Digital Micromirror Device) et d'un ensemble de lentilles chargées de projeter l'image sur la résine.

Vidéo 2 : Comment fonctionne un DMD. Source : TI.com

Cette technologie a été une révolution, puisque chaque couche est formée en quelques secondes et que le temps d'impression est indépendant du nombre de pièces placées sur la base, mais seulement de la hauteur de celles-ci.

Son principal inconvénient est que la résolution d'impression est déterminée par la densité des micromiroirs qui forment la DMD et la surface projetée. Pour un même système DMD, une surface d'impression plus grande entraînera toujours une diminution proportionnelle de la résolution, ce qui n'est pas le cas des systèmes SLA, où la résolution est déterminée par le diamètre du faisceau laser et est indépendante de la surface d'impression.

En outre, l'utilisation de lentilles de projection peut provoquer des distorsions dans les zones éloignées du centre. Il est possible de corriger ces distorsions en utilisant des systèmes optiques plus complexes, cependant, ils rendent souvent l'appareil très coûteux et donc peu populaire.

La qualité de la surface des pièces est généralement légèrement inférieure à celle des pièces produites par SLA, et dans de nombreux cas, l'effet d'échelle apparaît.

Image 5 : Effet d'escalier dérivé de l'utilisation de voxels carrés dans le DLP Source : theorthocosmos.com

Bien que les délais d'impression aient été considérablement réduits, cette technologie n'a pas remplacé celle de SLA. Aujourd'hui, c'est une technologie en désuétude, déplacée principalement par l'émergence de la technologie LED-LCD.

Impression 3D LED-LCD ou MSLA

Il s'agit de la dernière technologie à avoir atteint le marché et a connu une croissance significative ces dernières années. Elle a été développée comme une évolution de la technologie DLP, et aujourd'hui l'a pratiquement remplacé.

Le fonctionnement est similaire à la technologie DLP, cependant, au lieu de réfléchir la lumière à l'aide d'un dispositif numérique à micro-miroirs (DMD), elle utilise un dispositif LCD dans lequel chaque pixel agit comme une petite fenêtre qui bloque ou laisse entrer la lumière.

Image 6 : SLA vs DLP vs MSLA. Source : theorthocosmos.com

Les appareils LCD sont les mêmes que ceux utilisés dans les écrans mobiles ou les panneaux de télévision ou d'ordinateur, de sorte que leur coût est bien inférieur à celui des appareils DMD. En outre, ils sont disponibles dans des tailles allant de 3" à 80", de sorte que la projection est directe et perpendiculaire à la base sur toute la surface. Cela permet d'éviter l'utilisation de systèmes de lentilles de projection coûteux et complexes et les distorsions qu'ils provoquent dans les pièces produites en DLP.

Parmi ses principaux avantages figurent sa vitesse d'impression élevée et son faible coût. En outre, il surpasse la technologie DLP de deux manières essentielles. Premièrement, comme indiqué ci-dessus, la projection perpendiculaire empêche la distorsion de la projection oblique fournie par les lentilles des systèmes DLP. Deuxièmement, les dispositifs LCD ne se contentent pas de bloquer ou de laisser entrer la lumière, mais peuvent également la filtrer en faisant varier l'intensité lumineuse indépendamment à chaque pixel. Cela permet d'utiliser des procédés anti-repliement qui réduisent l'effet d'escalier et permettent d'obtenir des qualités de surface très proches de celles obtenues par SLA.

Image 7 : Prélèvement de sous-pixels ou anticrénelage pour éviter l'effet d'escalier. Source : hackaday.com

Tout cela signifie que sa croissance ces dernières années a non seulement déplacé la technologie DLP mais commence à remplacer la technologie SLA dans des secteurs tels que la dentisterie, où la technologie SLA est une norme.

L'un de ses inconvénients est le fort échauffement produit par les matrices LED utilisées, ce qui oblige à mettre en place des systèmes de refroidissement efficaces qui empêchent l'échauffement de la résine dans les impressions longues.

Image 8 : Système de refroidissement liquide d'une imprimante Uniz. Source : Uniz.com

C'est la technologie présente dans toutes les imprimantes 3D en résine à bas prix et aussi dans les derniers modèles professionnels tels que l'Uniz Slash.

Image 9 : Imprimante Uniz Slash Plus. Source : Uniz.com

Quelle technologie choisir

Aujourd'hui, le dilemme pourrait être réduit à deux technologies : SLA ou LED-LCD.

Malgré la croissance de la technologie LED-LCD, la technologie SLA est encore majoritaire dans les environnements professionnels. Cela s'explique par deux raisons : d'une part, la qualité et la précision élevées obtenues grâce au SLA avec des imprimantes telles que Formlabs sont difficiles à égaler. D'autre part, les nouvelles technologies ont besoin d'une période de transition pour faire leur place dans les entreprises en raison de la nécessité d'amortir les équipements actuels et de la méfiance à l'égard des nouveaux systèmes peu mis en œuvre dans leur secteur.

Toutefois, les nouvelles imprimantes professionnelles LED-LCD telles que celles d'Uniz, peuvent constituer un avantage concurrentiel important en permettant la production de petites séries avec une qualité similaire à celle des SLA et en une fraction de temps. Par exemple, dans la production de modèles pour le moulage à la cire perdue, qui est largement utilisé dans certaines branches de l'industrie de la bijouterie et qui peut entraîner des économies importantes, non seulement en temps et en ressources, mais aussi en coûts.

La décision entre l'un ou l'autre doit être basée sur les besoins de l'utilisateur entre précision et capacité de production. Dans de nombreux cas, il faut les considérer non pas comme des technologies concurrentes, mais comme complémentaires, ayant une équipe dédiée à la production de petites séries et une autre pour les travaux plus délicats et précis.