La fabrication additive est le terme utilisé pour décrire l'ensemble des technologies de fabrication basées sur le formé par l'ajout de matériel. Cela signifie que, contrairement à la fabrication soustractive (qui englobe les méthodes d'usinage CNC traditionnelles), elle est basée sur la construction de pièces en fournissant couche par couche la quantité précise de matériau de manière sélective.
Cependant, dans cette catégorie, nous pouvons trouver une multitude de technologies inègales, chacune avec ses avantages et ses inconvénients, donc connaître ses fondements et ses limites est quelque chose de très important afin de sélectionner la plus adaptée à chaque besoin.
Bien qu'il existe de nombreuses technologies et variantes, les plus courantes et les plus répandues dans l'industrie sont trois:
- Dépôt de matière fondue (FDM)
- Photopolymérisation sélective des résines (SLA)
- Frittage laser sélectif (SLS)
Bien que la plus répandue soit sans aucun doute la technologie FDM. Principalement en raison de l'apparition d'imprimantes 3D à bas prix basées sur cette technologie, ces dernières années, les technologies SLA et SLS ont gagné du terrain. Des entreprises telles que Formlabs ou Sinterit commercialisent des équipements, basés respectivement sur SLA et SLS, capables d'atteindre des qualités industrielles à des prix vraiment compétitifs. Ceci, associé à l'apparition de nouveaux matériaux, rend actuellement difficile pour une entreprise ou un professionnel d'opter pour une technologie ou une autre.
Ci-dessous, nous détaillons quelles sont les principales caractéristiques de chacun, ainsi que leurs différences, avantages et inconvénients.
Dépôt de matériau fondu (FDM)
C'est de loin la technologie la plus populaire. Elle est basée sur l'extrusion à travers d'une buse, un thermoplastique au-dessus de sa température de fusion. Lorsque le matériau extrudé sort de la buse de filament, il est déposé sélectivement et couche par couche pour former la pièce.
Image 1: Impression FDM. Sourcee: commons.wikimedia.com
Bien qu'il soit le plus courant, il est le plus complexe lorsqu'il s'agit de concevoir et de préparer des fichiers pour l'impression. Les limites de l'impression 3D FDM déterminent souvent la conception elle-même, donc en général, lorsque des pièces sont produites à l'aide de cette technologie, il est nécessaire de les concevoir ou de les repenser pour les rendre compatibles. Cela peut être un gros problème lorsque l'objectif de l'impression 3D est de valider des modèles qui seront ensuite produits à l'aide d'autres méthodes de production.
Parmi toutes les limitations, les plus importantes sont la nécessité d'utiliser des supports et l'impossibilité d'obtenir une isotropie mécanique.
Étant donné que le matériau fondu ne peut pas être déposé dans l'air, il n'est pas possible d'imprimer directement des ponts ou des surplombs, il est donc nécessaire dans ces cas d'ajouter des structures de support. Cela suppose une plus grande dépense de matériel et de temps, en plus du fait que les pièces auront besoin d'un post-traitement pour éliminer ces supports et la qualité de la surface dans la zone de contact sera affectée.
Image 2: Pièces imprimées avec supports. Source: Simplify3D
Une façon de minimiser certains des inconvénients de l'utilisation de supports consiste à les imprimer à l'aide d'un matériau soluble. Cela facilitera leur retrait et améliorera la qualité de la surface de la zone de contact. Cela nécessite que l'imprimante dispose d'un système d'extrusion double tel que le système IDEX pour les imprimantes BCN3D Sigma et BCN3D Sigmax ou la double extrudeuse Bondtech incorporée dans les imprimantes 3D Raise Pro2.
Video 1: Système IDEX BCN3D. Source: BCN3D
D'autre part, comme nous l'avons expliqué dans un article précédent, l'utilisation de FDM est impossible pour obtenir des pièces isotropes, ce qui est un problème majeur dans certaines applications mécaniques et structurelles.
D'autres limitations importantes sont la faible résolution et les tolérances élevées. Bien qu'en utilisant des buses de petit diamètre, il est possible d'obtenir des résolutions Z proches de celles obtenues par SLA ou SLS, la résolution XY sera toujours beaucoup plus faible et sera conditionnée par le matériau utilisé. En effet, la résolution est déterminée par le diamètre de la buse utilisée et tous les matériaux ne sont pas compatibles avec les buses de petit diamètre.
Cependant, tous ne sont pas des inconvénients. La technologie FDM possède, de loin, la plus large gamme de matériaux au moindre coût, en plus des volumes d'impression les plus élevés, et bien que la différence de prix entre les différentes technologies ait été raccourcie, c'est toujours la technologie la plus économique.
Image 3: Pyramide des principaux matériaux disponibles pour l'impression 3D FDM. Source: 3dhubs.com
C'est également une technologie propre et sûre qui nécessite peu de préparation avant l'impression. Cela lui permet d'être situé dans n'importe quel environnement et permet une plus grande immédiateté que l'impression SLA et SLS qui nécessitent des tâches de préparation et de nettoyage plus étendues, ce qui en fait la technologie parfaite pour les applications éducatives à tous les niveaux, de l'élémentaire aux études supérieur.
C'est une technologie idéale pour imprimer des modèles et des outils, des pièces de grand volume moyen ou pour les applications qui nécessitent des matériaux spécifiques non disponibles pour d'autres technologies.
Un autre secteur dans lequel l'impression 3D FDM offre de grands avantages est la production de modèles architecturaux. En général, ce type de projet est composé de pièces volumineuses qui ne nécessitent pas une grande précision. Ceci, ainsi que la disponibilité de matériaux tels que Filamet, Timberfill, Smartfil EP ou PLA Mukha capables de fournir des finitions métalliques, en bois ou en céramique aux pièces sans avoir besoin de post-traitement.
Image 4: Modèle architectural imprimé par FDM. Source: Raise3D
Photopolymérisation Sélective De Résines (SLA)
Il s'agit de la deuxième technologie d'impression 3D la plus courante. Il est basé sur l'exposition sélective d'une cuvette de résine photodurcissable à la lumière ultraviolette couche par couche. Cette exposition sélective peut se faire par un balayage laser (SLA), un projecteur (DLP) ou une LED masquée (LED-LCD / MSLA).
Image 5: Différences entre SLA, DLP et MSLA. Source: theorthocosmos.com
Ainsi que l'impression 3D FDM, elle a besoin des supports qui doivent être retirés après l'impression, cependant, l'impression 3D SLA ne permet pas actuellement l'impression simultanée avec deux matériaux, donc la seule façon de retirer les supports est mécaniquement. Cela signifie que dans ce cas, la surface de la pièce est également affectée dans les zones où il y a eu un contact avec les supports.
Image 6: Supports d'une pièce imprimée par SLA. Source:3Dhubs.com
Une autre différence fondamentale par rapport à l'impression 3D FDM est qu'elle utilise des polymères thermodurcissables au lieu des thermoplastiques. De plus, les matériaux SLA ont tendance à être plus chers que les matériaux FDM et ont une certaine toxicité. Ceci, associé au fait que les pièces nécessitent des tâches de nettoyage et de post-traitement, rend cette technologie moins recommandée pour le secteur éducatif.
Cependant, sa force est sa haute résolution et son excellente finition de surface réalisable grâce à l'impression SLA 3D. En général, des résolutions allant jusqu'à 50 um peuvent être obtenues dans tous les plans.
Malgré le fait qu'il existe des imprimantes SLA avec des volumes d'impression importants comparables à ceux des imprimantes 3D FDM, les imprimantes SLA 3D ont généralement des volumes d'impression considérablement inférieurs.
Il est parfait pour l'impression de petites pièces nécessitant une haute résolution et d'excellentes finitions de surface. Il s'agit actuellement de la technologie d'impression 3D la plus populaire dans les industries dentaire et joaillière. C'est pourquoi elle possède le plus large catalogue de résines dentaires et coulables.
Image 7: Modèles dentaires imprimés par SLA. Fuente: Formlabs.
Frittage Sélectif Par Laser (SLS)
Il s'agit probablement de la technologie la moins connue, bien qu'elle soit l'une des plus anciennes et des plus répandues en milieu industriel.
En effet, jusqu'à récemment, tous les équipements d'impression 3D SLS avaient besoin des installations adéquates et le coût de l'équipement et de la mise en œuvre était élevé. Bien que ces dernières années, cela ait changé grâce à l'apparition d'imprimantes SLS au format bureau, telles que les imprimantes Lisa et Lisa Pro, dont les coûts d'acquisition lors de la mise en œuvre sont proches de ceux des systèmes FDM et SLA. Bien que cette technologie permette la production de pièces thermoplastiques et métalliques, l'objectif de cet article étant de comprendre les différences entre les trois technologies, nous nous concentrerons uniquement sur l'impression thermoplastique SLS 3D.
L'impression SLS 3D consiste à fritter sélectivement, à l'aide d'un système de balayage laser, des couches de matière en poudre. Chaque fois qu'une couche est frittée, le pont de construction s'abaisse et un dispositif spécial appelé «recoater» ou coucheuse applique une nouvelle couche de poudre.
Image 8: Schéma d'une imprimante SLS. Source: Sinterit.
Le principal avantage de cette technologie est la possibilité d'imprimer sans supports. Cela réduit considérablement les contraintes de conception par rapport à toute autre technologie, en plus de simplifier considérablement le post-traitement des pièces.
Ceci, associé à la haute précision obtenue par le laser, supérieure à celle obtenue par l'impression 3D SLA ou FDM, permet d'imprimer directement des assemblages complexes, sans avoir à imprimer ses composants individuellement.
Video 2: Changement de vélo produit directement à l'aide de l'impression 3D SLS. Source: Sinterit.
Un autre avantage important est que les pièces imprimées par SLS sont denses et ont une isotropie élevée, ce qui en fait la technologie idéale pour la production de modèles et prototypes fonctionnels. Tout cela, combiné à la bonne finition de surface, le rend également adapté à la production de petites séries de produits finaux.
Les imprimantes SLS 3D n'ont pas une large gamme de matériaux compatibles comme l'impression 3D FDM, cependant la possibilité d'utiliser des matériaux techniques tels que différents types de nylons, ou TPE et TPU, permet de couvrir la plupart des applications.
Video 3: Pièce imprimée sur TPU à l'aide de l'impression 3D SLS. Solurce: Sinterit.
Malgré tous les avantages, le principal facteur limitant de l'impression 3D SLS est le volume de fabrication. Bien que les équipements industriels aient des volumes de construction importants similaires à ceux des systèmes FDM, les imprimantes 3D SLS de bureau ont des volumes d'impression similaires aux imprimantes SLA.
De plus, bien que le post-traitement de la pièce se limite au nettoyage pour éliminer l'excès de poudre sans frittage, les imprimantes 3D SLS nécessitent une préparation et un nettoyage qui la rendent moins immédiate que l'impression FDM.
Bien que toutes ces caractéristiques aient fait de cette technologie la norme de l'industrie, ses coûts élevés ont limité son accès aux petites et moyennes entreprises. Avec l'avènement des imprimantes SLS 3D de bureau abordables comme Lisa et Lisa Pro ces dernières années, la situation est en train de changer. Bien que son coût soit encore légèrement supérieur à celui des modèles équivalents en FDM et SLA, le coût actuel n'est plus un facteur déterminant lors du choix d'une technologie ou d'une autre.
Image 9: Sinterit Lisa Pro. Source: Sinterit.
Comparaison entre FDM, SLA et SLS
Pour bien comparer les trois technologies, nous devons le faire à deux niveaux: en termes de caractéristiques et en termes de limitations de conception et de fabrication.
Les principales caractéristiques de chaque technologie sont comparées ci-dessous:
Caractéristiques | |||
|---|---|---|---|
| Caractéristique | FDM | SLA | SLS |
| Principe de fonctionnement | Extrusion de matière fondue | Photopolymérisation de résine | Microparticules frittées |
| Type de matériaux compatibles | Thermoplastiques | Résine photopolymérisable | Thermoplastiques |
| Quantité de matériaux compatibles | Très haute | Intermédiaire | Faible |
| Prix des matériaux | Intermédiaire - Bajo | Haute | Intermédiaire |
| Complexité | Haute | Intermédiaire | Intermédiaire |
| Immédiateté | Très haute | Intermédiaire | Faible |
| Résolution de couche minimale | 0.1 mm | 0.05 mm | 0.06 mm |
| Résolution maximale en XY | 0.25 mm | 0.05 mm | 0.08 - 0.08 mm |
| Précision | Faible | Intermédiaire | Haute |
| Applications | Prototypage rapide. Éducation. Fabrication de modèles et d'outils. |
Modèles avec petits détails. Négatifs moulables pour bijoux et dentisterie. Attelles |
Prototypes fonctionnels. Série courte. Modèles et outils. Composants orthopédiques. Des modèles |
| Avantages | Prix bas. Immédiateté. Matériaux disponibles. |
Haute résolution. Matériaux dentaires et coulables de qualité. |
Imprimer sans supports. Pièces de haute qualité. Imprimer des assemblages directement Haute précision. |
| Désavantages | Besoin d'utiliser des supports. Certains matériaux ont un retrait élevé. |
Coût élevé des matériaux. Faible volume d'impression. |
Temps d'impression longs. Faible volume d'impression. |
Le tableau suivant montre les limites de conception de chaque technologie:
Exigences de conception | |||
|---|---|---|---|
| Caractéristique | FDM | SLA | SLS |
| Cantilevers | Nécessite des supports de 45º | Toujours besoin de soutiens | Jamais besoin de supports |
| Des ponts | Nécessite des supports de 10 mm | N'a pas besoin de supports, bien qu'ils soient recommandés | Jamais besoin de supports |
| Épaisseur de paroi minimale | 0.8 mm |
0.5 mm sur les murs supportés 1 mm sur des murs non supportés |
0.7 mm |
| Gravures |
0.6 mm large 2 mm de haute |
0.4 mm | 1 mm |
| Diamètre minimum des trous | 2 mm | 0.5 mm | 1.5 mm |
| Tolérance sur les pièces mobiles et les connexions | 0.5 mm | 0.5 mm |
0.3 mm dans les pièces mobiles 0.1 mm dans les connexions |
| Trous d'échappement dans les pièces creuses | No necesita | 4 mm | 5 mm |
| Taille minimale des détails | 2 mm | 0.2 mm | 0.8 mm |
| Diamètre minimum de colonne | 3 mm | 0.5 mm | 0.8 mm |
| Tolérances générales | ±0.5% (límite inferior ±0.5 mm) | ±0.5% (límite inferior ±0.15 mm) | ±0.3% (límite inferior ±0.3 mm) |
Aujourd'hui, des ordinateurs basés sur ces trois technologies sont disponibles sur le marché dans une gamme de prix similaire, comme les imprimantes des fabricants Raise3D, Formlabs ou Sinterit. Grâce à cela, les seuls critères pour prendre la décision de mettre en œuvre une technologie ou une autre seront des critères techniques.
Il faut bien évaluer les besoins et l'usage qui seront donnés à l'imprimante 3D pour décider quelle technologie est la plus appropriée et pouvoir rentabiliser l'investissement.
