Frittage Laser Sélectif (SLS) : technologies de pointe, matériaux avancés et applications en expansion

[Crédit image : 3D Hubs]

Le Frittage Laser Sélectif (SLS) est l'une des technologies d'impression 3D polymère les plus populaires pour les applications industrielles. Depuis son émergence il y a plus de 30 ans, le SLS a graduellement mûri en une technologie capable de prototypage fonctionnel et, plus récemment, aussi de production.

Cette évolution est pilotée par l'innovation continue dans le domaine du matériel et des matériaux, ainsi que par la volonté des adopteurs de technologie de développer de nouvelles applications SLS.

Dans l'article d'aujourd'hui, nous examinerons les développements récents en SLS, pour en apprendre plus sur les capacités actuelles et opportunités futures de la technologie.

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Brève histoire du SLS

Le frittage laser utilise un laser haute puissance pour fusionner des matériaux en poudre couche par couche. L'un des principaux avantages de l'impression SLS est que ses designs n'ont besoin d'aucune structure de support. Au fur et à mesure que l'impression se construit, tous les espaces creux sont automatiquement remplis de poudre inutilisée, rendant ainsi les impressions SLS auto-supportées.

Si le concept d'impression SLS a été conçu à l'origine au début des années 1980, ce n'est qu'en 1992 que la première imprimante industrielle SLS a été commercialisée — la Sinterstation 2000 de DTM (fusionnée plus tard avec 3D Systems). Cela a été suivi par l'EOSINT P350 d'EOS en 1994.

Depuis, une large (et croissante) gamme de machines est entrée sur le marché, marquant le début de l'ère d'impression plus rapide et à plus grande échelle dans un contexte industriel.

Développements notables dans le matériel SLS

L'évolution de la technologie SLS d'EOS

L'entreprise allemande de polymère et métal 3D printing, EOS, est peut-être le plus grand spécialiste SLS sur le marché. En 2016, l'entreprise affirmait avoir environ 3 000 unités installées dans le monde, 51 % étant des systèmes SLS.

Tout au long de son histoire de 30 ans, EOS a su faire évoluer le SLS au niveau d'une technologie mature, adaptée à diverses applications, tant en prototypage qu'en production.

L'une des étapes clés de ce parcours a été le lancement de la FORMIGA P 100 en 2006. Le système a défini des standards pour la qualité de l'impression 3D industrielle dans le secteur plastiques, de nombreuses années après son introduction.

En 2012, EOS a lancé un successeur à la FORMIGA 100, la FORMIGA P 110, qui a été nommée meilleure machine de frittage laser dans l'enquête Printer Guide 2018 de 3D Hubs.

Avec une taille de construction totale de 200 × 250 × 330 mm, la P 110 permettait une impression faible volume plus rentable et était utilisée pour des constructions de prototypes moyens et pièces à géométries hautement complexes.

Avance rapide vers 2018, la P 110 a été améliorée en FORMIGA 110 Velocis. Elle présente un système de chauffage amélioré et accéléré et un processus de rechargement, et utilise un contrôle logiciel pour préchauffer les matériaux polymères avec un faisceau laser de 30 watts à un taux de vitesse plus élevé.

Maintenant, avec des améliorations techniques supplémentaires et quelques raffinements, la Velocis atteint jusqu'à 20 % d'augmentation de productivité et une meilleure distribution de température pour la zone de construction, résultant en une qualité de pièce plus homogène.

SLS haute température

Si le matériau le plus couramment utilisé en SLS reste le nylon, EOS voulait aussi permettre le traitement de matériaux plus avancés, comme le PEEK, qui nécessitent généralement des hautes températures pour les imprimer.

Cela a résulté en la première plateforme SLS haute température, l'EOSINT P 800, dévoilée en 2008. Elle est capable de traiter des polymères jusqu'à une température d'environ 385 °C, ce qui a étendu la technologie SLS à une nouvelle gamme de thermoplastiques, notamment le PEEK.

10 ans plus tard, EOS a ajouté l'EOS P 810 à sa gamme d'imprimantes 3D haute température. Le nouveau système est présenté comme le premier système de frittage laser haute température au monde optimisé pour un matériau PEKK renforcé fibre de carbone.

Innovation continue : technologies FDR et LaserProFusion

Les améliorations et innovations d'EOS dans le domaine de la technologie SLS sont en cours. Par exemple, au Formnext de cette année, EOS a présenté sa technologie d'impression 3D polymère Fine Detail Resolution (FDR). Le nouveau procédé utilise un laser CO pour imprimer en 3D des composants polymères délicats mais robustes, avec des surfaces à résolution de détail fin et une épaisseur de paroi minimum de 0,22 mm.

EOS revendique être le premier fabricant à développer une solution laser CO pour l'impression 3D industrielle à base de poudre. La majorité des machines SLS actuelles utilisent un ou quelques lasers CO₂.

Le type laser CO crée un faisceau laser ultra-fin qui a un diamètre de foyer rapporté à moitié la taille des technologies SLS actuelles. Une conséquence importante de cette précision ajoutée est de nouveaux paramètres d'exposition qui peuvent résulter en pièces avec des surfaces extrêmement fines.

La nouvelle technologie pourrait être utilisée pour imprimer en 3D des unités de filtration et canaux de fluide, bouchons et autres composants électroniques, ainsi que des biens de consommation, comme des lunettes.

Alors que la technologie FDR est focalisée sur les composants délicats, une autre — pas encore commercialisée — solution d'EOS, la technologie LaserProFusion, est conçue pour une productivité maximale.

EOS va équiper le système LaserProFusion avec jusqu'à 1 million de lasers diodes, capables de produire plus de 5 kilowatts de puissance laser accumulée. Cette technologie vise principalement à répondre aux exigences de la production en série, et EOS affirme qu'elle peut être utilisée comme alternative au moulage par injection dans de nombreuses applications.

Depuis le lancement de la première imprimante 3D SLS il y a 26 ans, EOS a été l'une des forces motrices clés derrière le progrès remarquable de la technologie SLS. Elle a continuellement poursuivi la vision du SLS comme solution de production en série, qui devient éventuellement une réalité.

Technologie Flight de Farsoon

Une autre entreprise cherchant à révolutionner la technologie SLS est Farsoon. Pour rendre le SLS encore plus rapide et plus précis, Farsoon exploite la puissance d'un laser fibre dans sa nouvelle technologie Flight.

Alors que les machines SLS actuelles utilisent des lasers CO₂, le fabricant chinois d'imprimantes 3D a remplacé le laser CO₂ standard par un laser fibre.

Un système laser fibre est capable de délivrer plus de puissance au lit de poudre et d'améliorer la distribution d'énergie au matériau. C'est parce qu'un faisceau laser fibre permet une taille de spot laser plus petite. Cela se traduit en une densité de puissance plus élevée, permettant au poudre d'être frittée en moins de temps.

En plus d'un laser fibre, Farsoon a aussi développé un nouveau système de balayage, qui résulte en une vitesse de balayage de plus de 20 m/s. C'est environ 4 fois celui des technologies comparables. De plus, la puissance ajoutée du laser rend possibles des détails de caractéristiques aussi petits que 0,3 mm.

Conçue pour aider à faire adopter l'impression 3D SLS pour la production à haut volume, la technologie Flight est certainement un pas en avant dans cette direction.

Impression 3D SLS avec deux poudres

Alors qu'EOS et les autres acteurs établis du SLS sontmostly focalisés sur l'innovation linéaire, la startup belge Aerosint a pris une approche radicale pour développer un système SLS capable d'imprimer avec deux poudres différentes. Cela permettra à la machine d'utiliser l'une des poudres comme matériau de support peu coûteux.

Normalement, la poudre de support non fondue dans une machine SLS est le même matériau utilisé pour imprimer une pièce, et il tend à être cher. Bien sûr, ce ne serait pas un problème si la poudre pouvait être réutilisée à 100 %, ce qui est actuellement impossible.

Une raison est que, dans le processus SLS, les polymères sont exposés à de hautes chaleurs pendant de longues périodes, subissant ainsi des changements chimiques qui rendent leurs caractéristiques de frittage beaucoup moins prévisibles. Actuellement, la seule façon de surmonter ce problème est de mélanger de la poudre « utilisée-mais-non-fondue » avec environ 50 % de poudre vierge, afin de la réutiliser.

Selon l'estimation d'un prestataire de services, sur 500 kg de poudre achetés par mois, « 25 % devient une pièce, 25 % est déchet et 50 % est réutilisé pour rafraîchir la construction suivante ».

L'introduction d'une machine capable d'utiliser un matériau de support bon marché et un second matériau pour l'impression de pièces pourrait faire économiser une somme significative pour ceux utilisant des procédés SLS.

La technologie d'Aerosint, le Dépôt Sélectif de Poudre, y parvient en déposant sélectivement le matériau en poudre depuis un tambour rotatif qui passe sur une zone de construction. Un tambour dépose un matériau, donc au moins deux tambours sont utilisés pour atteindre le dépôt multi-poudres.

La technique d'Aerosint est intrinsèquement ligne par ligne et peut atteindre des taux d'impression jusqu'à 200 mm/s. Cette vitesse est comparable aux vitesses de déplacement des recoaters SLS d'aujourd'hui.

La maturation de cette technologie débloquera un océan d'opportunités pour les fabricants, incluant les bénéfices de réduction des déchets de poudre, économies de coûts matériaux et réduction du temps de post-traitement.

Passer les imprimantes 3D SLS au format compact

En 2014, le marché SLS a vu une nouvelle vague d'entreprises profitant de l'expiration du brevet SLS original et cherchant à rendre la technologie plus abordable.

Ce changement a donné naissance aux imprimantes 3D SLS de banc, pas assez petites pour être appelées « de bureau », mais assez compactes pour tenir sur un établi d'atelier. L'émergence d'imprimantes 3D de banc a ouvert la technologie aux prosumers et petites entreprises qui n'ont peut-être pas l'argent, ou l'espace, pour un système SLS industriel.

Les startups, comme Sinterit, Sharebot, Sintratec et, plus récemment, Formlabs, sont entrées dans la course pour l'impression 3D SLS format compact.

Sharebot a été la première entreprise à mettre une machine SLS de banc sur le marché avec SnowWhite, qui a commencé à être expédiée aux clients en 2016. Contrairement aux systèmes de Sintratec et Sinterit, qui sont équipés de lasers diodes, SnowWhite dispose d'un laser CO2 plus puissant, couramment installé sur les machines professionnelles haut de gamme.

Le laser et un volume de construction minuscule de 100 x 100 x 100 mm, qui permet l'impression avec aussi peu que 300 g de poudre, rend le système SnowWhite particulièrement adapté aux applications de développement matériaux.

Un autre grand acteur dans ce domaine est l'entreprise polonaise Sinterit, avec son système Sinterit Lisa, qui reste un leader dans ce segment de marché en croissance. À partir de 6 990 €, la Sinterit Lisa présente un volume de construction de 150 x 200 x 150 mm et une résolution de couche minimum de 0,075 microns, la rendant adaptée aux petites entreprises voulant une introduction à la technologie SLS sans avoir à investir trop de capital dans de l'équipement encombrant.

L'an dernier, l'entreprise a aussi dévoilé la Sinterit Lisa Pro, la dernière imprimante 3D SLS de banc.

Une innovation potentiellement significative dans ce segment pourrait être la Fuse 1, une imprimante 3D SLS qui a été annoncée par le leader de la stéréolithographie de bureau, Formlabs, en 2017. Avec un volume d'impression de 165 x 165 x 320 mm et un laser fibre, le système est prix autour de 10 000 $ et prévu pour une sortie commerciale mi-2020.

L'afflux d'imprimantes 3D FDM et SLA/DLP de bureau moins chères au début des années 2010 a causé une disruption dans l'industrie, tout en contribuant significativement à la croissance de l'industrie FA. Le SLS abordable ne fait que commencer ce voyage et pourrait suivre un chemin similaire. Cela étendra finalement la portée du SLS à une gamme plus large d'industries et d'utilisateurs.

L'évolution des matériaux SLS

Les premières imprimantes 3D SLS utilisaient le plus couramment le nylon, un thermoplastique d'ingénierie populaire, loué pour ses propriétés légères, résistance et durabilité. Le nylon, aussi connu comme polyamide (PA), est stable face aux chocs, produits chimiques, chaleur, lumière UV, eau et saleté, le rendant idéal pour le prototypage rapide et la production.

Aujourd'hui, le nylon reste encore le matériau SLS le plus populaire. Cependant, le progrès en technologie et matériaux d'impression 3D a permis l'émergence de composites à base de nylon — matériaux mélangés avec fibre de carbone, fibre de verre et aluminium pour améliorer encore les propriétés mécaniques et thermiques du polyamide.

En plus du nylon, les imprimantes 3D SLS d'aujourd'hui peuvent aussi traiter PEEK, PEKK, TPU flexibles, polymères ignifuges et polymères antistatiques. La possibilité de traiter des matériaux haute performance est étroitement liée à l'innovation technologique. Comme dans l'exemple EOS, l'entreprise a d'abord dû créer une imprimante 3D haute température avant de pouvoir imprimer des matériaux comme le PEEK.

Nouveaux matériaux SLS

Le rythme de développement de nouveaux matériaux pour le SLS est aussi encourageant.

L'entreprise italienne d'impression 3D, CRP Technology, est peut-être l'un des développeurs indépendants clés de matériaux SLS, célèbre pour sa marque Windform. L'entreprise offre une gamme de composites à base de nylon et poudres plastiques caoutchouteuses.

Les ajouts les plus récents à la gamme Windform ont été Windform FR1 et Windform FR2 — composites ignifuges, adaptés aux applications aéronautiques (par exemple pièces intérieures, composants cockpit, conduits d'air et vannes de sortie d'air) ; pièces transport (intérieurs véhicules, assemblages boîtiers et enceintes) et biens de consommation et électronique (éclairage et appareils).

L'entreprise chimique DSM a aussi récemment avancé pour développer des matériaux pour le SLS. Cela a abouti à une poudre de Polytéréphtalate de Butylène (PBT) lancée l'an dernier. Intéressant, DSM spécifie que le matériau est en fait la première poudre PBT rendue commercialement disponible pour l'impression 3D SLS. Le PBT est un polymère d'ingénierie thermoplastique avec applications dans l'industrie électronique, grâce à ses propriétés isolantes.

De plus, Forward AM, une filiale du géant chimique BASF, offre une gamme de matériaux SLS sous la marque Ultrasint. Le matériau Ultrasint Polyamide PA6 Black FR ignifuge a été le dernier de cette gamme et se vante d'une haute rigidité et bonne stabilité thermique. Selon Forward AM, il a déjà été utilisé pour produire de nouveaux composants pour véhicules répondant aux exigences de protection feu des véhicules.

BASF et DSM ont tous deux récemment acquis des imprimantes 3D SLS du fabricant français Prodways. Avec une capacité SLS accrue, les deux entreprises chimiques pourront accélérer leur développement de matériaux avancés pour l'impression 3D SLS.

Post-traitement en SLS

Si la technologie SLS élimine le besoin de design et retrait de structures de support, elle n'est pas sans défis de post-traitement. Le plus grand d'entre eux est le besoin de retirer l'excès de poudre laissé sur la surface d'une pièce et parfois piégé à l'intérieur.

Actuellement, ces défis sont adressés par lavage et nettoyage manuels, et techniques traditionnelles, comme le grenaillage et le barbotage.

Cependant, ces méthodes nécessitent beaucoup d'intervention manuelle, augmentant le risque d'endommager des géométries fragiles et produisant des pièces finales incohérentes.

Quand il s'agit de finition de surface, les pièces SLS sont souvent lissées par ponçage et en utilisant de l'équipement semi-automatisé qui n'est généralement pas conçu pour l'impression 3D. Ces approches ne sont pas pratiques pour tirer plein parti des capacités d'une imprimante SLS et scaler vers des volumes de production plus grands.

Heureusement, plusieurs acteurs de l'industrie développent des solutions automatisées pour le post-traitement de pièces SLS.

PostProcess Technologies, par exemple, offre des solutions alimentées par sa technologie Thermal Atomized Fusillade (TAF), dans laquelle deux jets mono-axiaux perpendiculaires, composés d'air comprimé, détergent et solides en suspension, fournissent des séquences de blast ciblées, tout en utilisant une rotation de pièce à 360° pour une exposition de surface maximale.

L'entreprise britannique AMT va lancer une solution de dépoudrage automatisée plus tard cette année.

Finalement, passer du manuel à l'automatisé pour le dépoudrage aidera à optimiser le flux de travail d'impression 3D SLS de manière significative, non seulement en réduisant le temps de main-d'œuvre manuelle, mais aussi en permettant aux entreprises de faire passer leur production SLS à l'échelle plus efficacement.

Applications SLS : une utilisation croissante en production

Si la technologie SLS continue d'être utilisée en prototypage, elle devient de plus en plus populaire pour les tests de pièces fonctionnelles, ainsi que pour les applications de production.

Aérospatial

L'industrie aérospatiale, par exemple, utilise le SLS pour créer des pièces intérieures d'avion. Un cas en point est Emirates, la plus grande compagnie aérienne des EAU. La compagnie utilise l'impression 3D pour produire des composants de cabine d'avion, incluant des caches de vidéosurveillance et grilles de ventilation d'air. Ces dernières ont déjà été certifiées et installées pour essais à bord sur les avions Emirates.

Emirates est en partenariat avec 3D Systems pour produire les caches de vidéosurveillance, utilisant la technologie SLS et le matériau nylon 3D Systems DuraForm ProX FR1200, qui répond aux seuils de retardance au feu requis par l'industrie aérospatiale pour les pièces intérieures de cabine.

Biens de consommation

Dans l'industrie des biens de consommation, Chanel est pionnière dans l'utilisation de l'impression 3D SLS pour brosses à mascara. La marque imprime maintenant des millions de brosses à mascara, en collaboration avec le prestataire de services d'impression 3D français, Erpro Group.

En utilisant la technologie SLS, le design de la brosse a été optimisé — par exemple, la texture granuleuse rugueuse, obtenue avec la technologie SLS, améliore l'adhérence du mascara aux cils.

En plus des produits de beauté, le SLS est de plus en plus utilisé dans les domaines médical et chaussures pour produire des semelles et sandales personnalisées.

Sports moteurs

Dans les sports moteurs, la technologie peut aider les équipes de course à innover les designs de voiture et les tester plus vite que ne le permettraient les technologies traditionnelles.

L'équipe Alfa Romeo Sauber Formula One (F1) est un bon exemple de comment une entreprise de sports moteurs peut tirer parti de l'impression 3D SLS.

Le SLS est principalement utilisé pour le développement aérodynamique de la voiture Alfa Romeo F1 en soufflerie, ainsi que pour une grande variété de moules de stratification, noyaux et pièces série complexes.

Pendant la production, ils utilisent un matériau à base de poudre, développé par Sauber Engineering, qui est utilisé quand des composants particulièrement légers et rigides sont requis, des ventilations de frein F1 et composants de carrosserie pour véhicules pré-production et prototypes, à une large gamme d'éléments de construction prêts à l'emploi.

Le ciel est la limite pour les applications SLS. Donnés les développements récents en matériaux et technologie SLS, cette affirmation sonne particulièrement vrai.

SLS : l'un des meilleurs choix pour l'impression 3D polymère

Le marché de l'impression 3D SLS est dans un état d'évolution continue. La technologie se démocratise avec l'introduction de systèmes de banc compacts et abordables. En attendant, les fabricants d'équipement SLS industriel mettent un focus plus grand sur les solutions qui aident à établir le SLS comme outil de production.

En résultat, le volume de projets réalisés avec la technologie SLS augmente régulièrement.

Preuve en est le fait que plus de 75 % des projets d'impression 3D ont utilisé des méthodes SLS en 2019, selon le rapport de Sculpteo. Un point à retenir ici est que le SLS est considéré comme l'un des meilleurs choix pour l'impression 3D polymère. Nous croyons que cela continuera de tenir vrai dans un futur proche et lointain.