Comment le frittage laser sélectif (SLS) convertit les conceptions CAO 3D en pièces solides

Le SLS dans la fabrication additive est utilisé pour convertir des conceptions CAO 3D en pièces physiques, en quelques heures.

Quelle est la définition du frittage laser sélectif ? SLS signifie Selective Laser Sintering, une technique d'impression 3D ou de fabrication additive (FA). Le SLS utilise un processus appelé frittage, où un matériau en poudre est chauffé à des températures proches de la fusion, amenant les particules à se lier pour former un solide.

Le SLS peut utiliser une grande variété de matériaux — le plus souvent du nylon, mais parfois aussi des plastiques et des métaux.

En raison de sa capacité à produire des pièces auparavant « impossibles » (lisez la suite pour plus d'informations) et de la haute récupérabilité des matériaux, le SLS est populaire dans les environnements industriels depuis sa commercialisation au début des années 1990.

Le SLS a été initialement développé dans les années 1980 par Carl Deckard et Joe Beaman sous le parrainage de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), une agence de recherche et développement du Département de la Défense des États-Unis.

Bien que la technologie SLS ne soit pas nouvelle, elle est encore utilisée principalement pour des applications industrielles. Le laser précis utilisé dans le processus SLS permet une fabrication hautement précise, même de pièces complexes. Pour cette raison, le SLS est largement utilisé pour le prototypage rapide et la production de pièces personnalisées à faible volume.

D'un autre côté, l'utilisation de lasers puissants et de matériaux en poudre le rendait impraticable pour la plupart des utilisations à petite échelle ou domestiques, notamment car les imprimantes SLS sont substantiellement plus chères que d'autres technologies populaires telles que les imprimantes 3D à dépôt de filament fondu (FDM).

Plus récemment, les développements dans les technologies de fusion sur lit de poudre ont ravivé l'intérêt pour le SLS, qui se classe maintenant derrière le FDM et la stéréolithographie (SLA) en popularité.

Frittage laser sélectif (SLS) : Pré-traitement des modèles SLS

Chaque technique de fabrication additive (FA) a ses limitations, et le SLS (frittage laser sélectif) ne fait pas exception. En particulier, le SLS n'est pas adapté à l'impression d'arêtes vives ou de parois minces, et les conceptions incorporant ces caractéristiques devront être modifiées lors du pré-traitement. Par exemple :

• Les pièces avec des parois minces peuvent être analysées à l'aide d'un produit de conception incluant une fonction d'analyse de parois minces. Cette fonction simule le processus d'impression, aidant le concepteur à déterminer si sa conception a de chances d'être imprimée avec succès. Sinon, il peut apporter les modifications appropriées avant l'impression.
• Pour les pièces avec des arêtes vives, les concepteurs peuvent utiliser la fonction congés de leur logiciel CAO pour arrondir ces arêtes en préparation d'une impression réussie.

Quelques points supplémentaires à garder à l'esprit :

• Si un projet incorpore des géométries trop complexes, les concepteurs peuvent utiliser des outils de simplification géométrique lors de leur préparation de données pour le SLS pour s'assurer que leur conception est prête pour l'impression.
• Également, pour économiser du poids, de nombreuses pièces SLS sont imprimées creuses, et les concepteurs peuvent utiliser des outils automatisés pour les aider à « creuser » leurs conceptions et inclure des trous d'évacuation pour permettre l'enlèvement du matériau non fritté après l'impression.
• Si l'on travaille avec un logiciel de conception pleinement fonctionnel, les concepteurs devraient utiliser des techniques de modélisation par simulation pour voir comment leur conception se comportera probablement pendant le processus d'impression et lorsqu'elle sera soumise à une utilisation réelle.

Enfin, avant qu'un modèle 3D ne soit prêt à imprimer, il doit être « tranché » en couches 2D (également appelées sections transversales) que l'imprimante SLS utilisera pour guider son laser à travers chaque couche de matériau en poudre. Bien que certains « trancheurs » gratuits soient disponibles pour compléter la préparation des données pour le SLS, leur fiabilité peut être discutable, et les concepteurs professionnels sont conseillés de travailler avec un logiciel reconnu pour leurs besoins de pré-traitement.

Si votre organisation développe des applications qui gèrent le pré-traitement pour l'impression SLS, ou si vous êtes un fabricant de machines SLS cherchant à ajouter du logiciel à votre portefeuille, Spatial est là pour vous aider.

Tirant parti de plus de 35 ans d'expertise en modélisation 3D, Spatial fournit des fonctions complètes de pré-traitement qui peuvent être packagées dans vos applications logicielles en utilisant nos bibliothèques pré-construites. C'est un moyen idéal d'étendre la fonctionnalité existante offerte par vos applications ou produits matériels et peut vous aider à différencier vos offres de celles de vos concurrents pour l'impression 3D SLS.

Pour en savoir plus sur la façon dont Spatial peut vous aider, consultez nos kits de développement logiciel de modélisation 3D éprouvés par l'industrie pour commencer.

Le processus SLS dans la fabrication additive

Le processus de frittage laser sélectif ressemble à celui des autres technologies de fusion sur lit de poudre de la manière suivante :

1. Un concepteur produit un modèle 3D à l'aide d'un programme de Conception Assistée par Ordinateur (CAO)
2. La conception est divisée en couches minces (2D)
3. La conception divisée est envoyée à l'imprimante SLS
4. Un rouleau niveleur étale une fine couche de matériau en poudre sur la plateforme de construction de l'imprimante
5. Un laser CO₂ trace une section transversale sur le matériau, le chauffant et le fusionnant
6. Une fois une couche terminée, la plateforme de construction est abaissée pour laisser de la place à la prochaine couche de poudre
7. Le matériau non utilisé est recyclé après chaque couche terminée
8. Le processus SLS est répété, construisant couche sur couche jusqu'à ce que la pièce soit terminée

Pendant le processus d'impression, les pièces SLS sont entourées de poudre non frittée. Cette poudre supplémentaire soutient la pièce pendant l'impression, éliminant le besoin de structures de support.

Frittage laser sélectif : Post-traitement

La première étape du post-traitement SLS est la récupération de la pièce. Les pièces nouvellement imprimées en SLS sont enfermées dans un cocon poreux de poudre partiellement frittée, qui doit être brisé pour retirer la pièce. Bien que ce processus serait salissant dans un environnement domestique, le SLS est principalement utilisé dans des environnements industriels, où des chambres de nettoyage spécialement conçues sont utilisées, incorporant des enceintes étanches avec une entrée pour air comprimé.

Une fois nettoyées, les pièces imprimées en SLS sont examinées et testées pour s'assurer qu'elles répondent aux spécifications originales. Comme les pièces SLS sont sujettes au retrait et au gauchissement, ce processus doit garantir que chaque pièce est apte à l'usage.

Enfin, la plupart des pièces SLS sont teintes et/ou revêtues pour les préparer à l'usage réel. Les teintures et revêtements vont du purement cosmétique au hautement fonctionnel, incluant des revêtements qui sont :

• Résistants aux rayures
• Réfléchissants ou non-réfléchissants
• Polarisés
• Durables

Récupération du matériau SLS

La récupération du matériau résiduel est une partie essentielle du processus de fabrication SLS.

Puisque la poudre de matériau soutient les pièces SLS pendant l'impression, bien plus de poudre est utilisée que nécessaire pour la pièce réelle. Cependant, comme toute la poudre dans la chambre de construction est préchauffée pour aider le processus de frittage, la poudre « utilisée » est moins efficace que la poudre neuve pour l'impression SLS future. Pour cette raison, les experts en impression SLS recommandent d'utiliser un maximum de 50 % de poudre recyclée pour tout projet d'impression SLS.

Différents types de systèmes SLS

Fondamentalement, il existe deux types différents de systèmes SLS : industriels et de bureau.

Systèmes SLS industriels

Les systèmes SLS industriels existent depuis des décennies et ont été utilisés par des acteurs majeurs dans une grande variété d'industries, notamment l'aérospatiale, l'automobile et l'outillage. Les systèmes SLS industriels utilisent un ou plusieurs lasers CO₂ de haute puissance.

En raison de leur taille et de leurs exigences thermiques, les systèmes SLS industriels nécessitent un environnement inerte pour s'assurer que la poudre ne s'oxyde pas. En conséquence, ces systèmes exigent également un équipement spécialisé pour gérer l'admission et l'évacuation d'air. Ils nécessitent également une alimentation électrique industrielle.

Systèmes SLS de bureau

Les systèmes SLS de bureau utilisent un processus similaire aux systèmes industriels mais sont packagés dans une machine qui peut facilement s'adapter à un environnement de petite entreprise ou amateur. Ces systèmes utilisent des lasers à diode ou à fibre de puissance inférieure plutôt que des lasers CO₂, ce qui est en partie responsable de leur coût réduit.

En raison de leur taille plus petite, les systèmes de bureau nécessitent également moins de chaleur pour le processus de frittage, supprimant le besoin de systèmes de gestion d'air spécialisés et leur permettant de fonctionner sur une alimentation CA standard.

Matériaux SLS

Le terme SLS décrit généralement le frittage à base de plastique, bien qu'il puisse aussi être utilisé comme terme fourre-tout pour le frittage de matériaux incluant plastiques, métaux, verre, céramiques et matériaux composites. Le processus reste similaire pour tous les matériaux, bien que la température nécessaire pour le processus de frittage varie.

Lorsque le SLS est appliqué aux métaux, le terme frittage laser direct de métal (DMLS) est généralement utilisé. Le processus est exactement le même que décrit précédemment dans cet article, mais le processus de frittage nécessite significativement plus de chaleur que le frittage à base de plastique.

Avantages et inconvénients du SLS

Comme tout processus de fabrication, le SLS a à la fois des avantages et des inconvénients.

Les avantages du SLS incluent :

• Auto-supportant. Au fur et à mesure que les pièces SLS sont construites, les espaces creux sont remplis de poudre non frittée. En conséquence, les impressions SLS sont auto-supportantes et ne nécessitent pas de structures de support supplémentaires.
• Liberté de conception. Parce qu'il n'y a pas besoin de structures de support, les concepteurs ont beaucoup plus de liberté pour créer des pièces qui répondent à leurs objectifs sans se soucier de la faisabilité de fabrication. En conséquence, de nombreuses pièces considérées comme « impossibles » en raison des contraintes des techniques de fabrication soustractive traditionnelles peuvent maintenant être fabriquées en utilisant la fabrication additive SLS.
• Vitesse. Puisque la poudre de nylon utilisée en SLS ne nécessite qu'une brève exposition au laser pour être frittée, l'impression SLS est parmi les technologies d'impression 3D les plus rapides. Contrairement à d'autres techniques comme le FDM, avec le SLS, il n'y a pratiquement aucun compromis entre la vitesse d'impression et la garantie d'une haute qualité.
• Facile à teindre. Les impressions SLS sont naturellement poreuses et absorbent facilement l'humidité et d'autres liquides. Cette nature poreuse rend les pièces SLS idéales pour la coloration, particulièrement en utilisant un processus de bain chaud.

Les inconvénients du SLS incluent :

• Poreux et fragile. La nature poreuse des pièces SLS peut compromettre leur intégrité structurelle. Bien qu'elles aient généralement une excellente résistance à la traction, les pièces SLS sont inflexibles et peuvent échouer sous des niveaux de déformation relativement faibles. Pour cette raison, les impressions SLS sont souvent utilisées comme prototypes de preuve de concept. Les pièces produites par SLS peuvent également avoir une finition de surface rugueuse.
• Sujettes au retrait et au gauchissement. La poudre de nylon utilisée en SLS est soumise à des températures élevées pendant le frittage et refroidit ensuite rapidement. En refroidissant, une pièce se contracte aussi, ce qui peut entraîner des inexactitudes dans les pièces imprimées — le plus souvent dans les arêtes et coins vifs.
• Gaspillage. Bien que la poudre de l'impression SLS puisse être réutilisée, la plupart des experts SLS recommandent d'utiliser un maximum de 50 % de poudre recyclée dans les futures impressions comme noté ci-dessus. En conséquence, il y a toujours un élément de gaspillage dans le processus d'impression SLS.
• Coût. Même une imprimante SLS de bureau peut coûter entre 5 000 $ et 40 000 $ — bien plus que les imprimantes comparables utilisant d'autres techniques FA. Comme vous l'imaginez, les imprimantes SLS à l'échelle industrielle deviennent très chères, très rapidement.

Quand utiliser le SLS

L'utilisation la plus populaire du SLS est le prototypage rapide, où sa nature auto-supportante et sa vitesse le rendent idéal. Le SLS permet aux concepteurs de créer et tester une large gamme de prototypes sans être contraints par le besoin d'inclure des supports structurels ou d'utiliser des techniques de fabrication plus traditionnelles comme le moulage par injection.

Quelles industries s'appuient sur le SLS ?

En raison des avantages qu'il confère, le SLS a été largement utilisé dans les industries aérospatiale, automobile et médicale.

Là où les fabricants aérospatiaux et automobiles utilisent principalement des poudres métalliques et composites pour atteindre des niveaux élevés de durabilité, les fabricants médicaux préfèrent généralement le polyuréthane thermoplastique (TPU) — un plastique flexible et hautement durable avec d'excellentes propriétés mécaniques, durabilité et résistance aux huiles et produits chimiques.

Le SLS est généralement utilisé dans des circonstances où le prix n'est pas la considération majeure, du moins en termes d'achat d'équipement capital. Les systèmes SLS peuvent être extrêmement chers, ce qui est une raison majeure pour laquelle le processus est principalement utilisé dans des environnements industriels.

Cependant, mis à part les dépenses en capital, les fabricants qui produisent beaucoup de pièces à faible volume — par exemple des prototypes — peuvent en réalité économiser sur les coûts avec le SLS. Le SLS est largement utilisé pour produire des pièces à faible volume et sur mesure, largely parce qu'il facilite leur production sans la dépense considérable de l'outillage.

Cas d'utilisation courants incluent :

• Outils et fixations personnalisés
• Réservoirs de carburant
• Conduits d'air
• Modèles architecturaux
• Composants qualifiés vol pour véhicules aériens sans pilote
• Conceptions automobiles
• Sculptures artistiques

Quelle suite pour le SLS ?

Actuellement, le SLS est principalement limité aux utilisations industrielles — principalement en raison du coût élevé des imprimantes 3D SLS, mais aussi en raison de l'utilisation de lasers puissants et de matériaux en poudre. Pour l'instant, si vous êtes un amateur ou créateur à domicile, d'autres techniques comme le FDM et le SLA sont des options plus abordables. Dans les environnements industriels, cependant, les systèmes SLS peuvent être extrêmement précieux.

Comme pour toutes les techniques FA, cependant, le SLS repose sur la capacité du fabricant à produire des modèles 3D hautement précis et optimisés. Et, compte tenu des limitations du SLS — particulièrement son incapacité à imprimer des pièces avec des parois minces ou des arêtes vives — certaines fonctions logicielles sont essentielles pour créer et optimiser ces modèles.

Pour découvrir comment Spatial peut vous aider à intégrer une puissante fonctionnalité SLS et des bibliothèques complètes pré-construites dans vos solutions matérielles et logicielles, contactez-nous aujourd'hui.