Impression 3D par frittage laser sélectif (SLS) :un guide détaillé

L'industrie de la fabrication additive, évaluée à 13,84 milliards de dollars, fait partie des technologies de fabrication à la croissance la plus rapide de l'ère moderne. Le frittage sélectif par laser (SLS) est l'une des technologies d'impression 3D innovantes qui a alimenté son essor rapide et inspiré une adaptation industrielle à grande échelle.

Dans ce guide complet, nous aborderons divers aspects de l'impression SLS, y compris son flux de travail, ses avantages/inconvénients, les capacités matérielles et certaines de ses applications.

Qu'est-ce que l'impression 3D par frittage laser sélectif ?

L'impression 3D SLS utilise un laser guidé comme source d'énergie thermique pour fritter des couches de particules de matières premières en une construction solide et durable. Les particules, lorsqu'elles sont chauffées, fusionnent sans fondre. C'est pourquoi on parle de processus de frittage et non de fusion.

De plus, les imprimantes 3D SLS sont disponibles dans une variété de volumes de construction allant du bureau à l'industrie à grande échelle. Ils diffèrent également par des facteurs tels que le type de laser (fibre, diode, lasers CO2, etc.), la puissance du laser, le coût et la précision de fabrication.

Cette technique est connue pour sa viabilité pour la fabrication de pièces fonctionnelles et le prototypage rapide. Les qualités matérielles souhaitables des pièces d'imprimante 3D SLS sont un facteur prometteur pour les fabricants et les développeurs de produits.

Plongeons plus profondément dans le frittage laser sélectif et décomposons son flux de travail pour une meilleure compréhension.

Flux de travail de l'impression 3D SLS

L'impression 3D SLS est réalisée en plusieurs étapes. Vous trouverez ci-dessous une procédure standard étape par étape pour la plupart des imprimantes 3D SLS.

1. Préparation du modèle CAO

L'histoire commence par un modèle CAO de la pièce à imprimer. Le modèle finalisé est transféré vers l'interface utilisateur intégrée des imprimantes SLS ou vers un logiciel de découpage dans des formats de fichiers adaptés à l'impression 3D. Le format de fichier le plus courant est STL.

Le logiciel de découpage prépare le fichier CAO pour l'impression 3D, générant des commandes (appelées G-Codes) que le contrôleur de l'imprimante peut interpréter en termes de mouvement de balayage du laser. Le logiciel intègre également des paramètres définis par l'utilisateur tels que l'épaisseur de la couche, la puissance du laser et la résolution qui sont des facteurs déterminants pour la qualité de construction finale.

À ce stade, le logiciel prédit également des informations cruciales telles que le temps d'impression et la consommation de matériaux.

2. Chèques avant impression

Les imprimantes 3D SLS sont des machines sophistiquées qui nécessitent une formation et des soins pour fonctionner. Avant le début de l'impression, certaines vérifications sont effectuées pour s'assurer que l'impression se passe bien.

La chambre de construction (lit de poudre) est remplie au niveau correct et avec le bon matériau. De plus, des opérateurs professionnels effectuent également des vérifications CAO avant impression pour s'assurer qu'il n'y a pas de failles qui affectent l'imprimabilité.

Les galvanomètres, les miroirs qui dirigent le faisceau laser le long du chemin d'impression souhaité, doivent être calibrés. Les servomoteurs qui les actionnent sont également ramenés à leurs positions d'origine pour un minimum d'erreurs. Les calendriers d'étalonnage pour ceux-ci sont souvent recommandés par les fabricants dans les manuels.

3. Poudre de préchauffage

La poudre dans la chambre de construction est préchauffée avant que l'impression ne commence juste en dessous de son point de fusion. De cette façon, l'énergie thermique du laser n'est utilisée que pour le frittage. Cela permet une impression 3D rapide.

4. Impression

En fait, le processus d'impression lui-même est assez simple et ingénieux. Le laser balaye la couche supérieure de la pièce (définie précédemment par la trancheuse) sur la surface supérieure du lit de poudre.

La puissance du laser est réglée précisément pour obtenir une profondeur de frittage équivalente à l'épaisseur de la couche. La plage typique d'épaisseur de couche dans l'impression 3D SLS est de 0,05 à 0,15 mm.

Ensuite, le lit descend d'une épaisseur d'une couche, emportant la construction avec lui. Une nouvelle couche de matériau SLS est étalée sur le lit par la lame/rouleau de revêtement. Le laser scanne cette fois la deuxième couche, qui rejoint la précédente.

Ce processus se répète ensuite jusqu'à ce que la pièce entière soit imprimée.

5. Récupération de pièces et post-traitement

Une fois l'impression terminée, on la laisse refroidir à l'intérieur de la chambre pendant un certain temps. Une fois refroidi, il est extrait de la chambre de construction. Étant donné que la pièce est entourée de tous côtés par la poudre non frittée, le processus d'extraction est souvent appelé "dépoudrage".

Avantages de l'impression 3D SLS

L'impression 3D SLS présente de nombreux avantages, ce qui en fait l'une des méthodes de fabrication additive les plus recherchées dans l'industrie.

1. Pièces robustes

Les pièces imprimées en 3D SLS possèdent des propriétés avantageuses telles que la résistance mécanique, le module de traction, la résistance à la chaleur et l'étanchéité à l'eau et à l'air. Cela est dû au processus de frittage, qui lie fortement les particules de polymère individuelles.

Cette qualité de robustesse a permis aux imprimantes SLS d'être un équipement commun pour le développement et le test de prototypes fonctionnels, qui imitent non seulement l'apparence du produit de test, mais également sa fonctionnalité.

2. Aucun support requis

Les structures imprimées en 3D avec des caractéristiques telles que des porte-à-faux ou des ponts nécessitent une géométrie de support pour maintenir ces éléments pendant l'impression. La plupart des méthodes d'impression 3D, comme le FDM, font perdre beaucoup de temps et de matériel à l'impression de ces structures de support.

Avec le frittage laser sélectif, cependant, ce n'est pas un problème. Étant donné que toute la construction est piégée dans une mare de poudre libre, elle est déjà bien soutenue pendant la construction. Non seulement cela permet de gagner du temps, mais cela réduit également les coûts.

3. Rapide

Ces machines sont considérées comme des imprimantes 3D rapides, avec une impression commerciale, des vitesses allant jusqu'à 48 mm/h. Cela bat un nombre décent de méthodes d'impression 3D alternatives.

En plus de cela, le flux de travail de ce processus, bien que divisé en plusieurs étapes, est assez rapide. Le balayage laser est quasi instantané, la chambre de construction peut être détachée et remplacée par une autre lorsque la première refroidit, et il y a aussi la possibilité d'imprimer par lots, dont nous parlerons ensuite.

4. Impression par lots

Les imprimantes 3D sont disponibles dans une variété de volumes de chambre de construction, avec jusqu'à 750 mm dans une direction pour les plus grosses machines. Une approche productive consiste à utiliser efficacement le volume de la chambre de fabrication en adaptant l'impression par lots.

Cela signifie qu'il faut monter autant de pièces à l'intérieur de la chambre de construction, comme un « lot ». Ceci est prudent car le balayage laser lui-même est très rapide. Dans l'impression par lots, avec une seule numérisation, il peut fritter des couches de plusieurs pièces plutôt qu'une seule, ce qui permet de gagner des heures en temps d'impression.

5. Précision dimensionnelle élevée

SLS produit des pièces très précises. Comme mentionné précédemment, la hauteur de couche peut être aussi faible que 0,05 mm. De plus, la plupart des imprimantes 3D sont capables de fabriquer des tolérances de +/- 3 %. La pression de compactage fournie par le lit de poudre aide également à minimiser le gauchissement.

Pour cette raison, les pièces imprimées en 3D SLS ont une forme quasi nette et ne nécessitent pas de post-traitement approfondi.

Inconvénients de l'impression 3D SLS

Comme tout processus de fabrication, SLS a ses inconvénients en plus des avantages. Nous mettons en lumière certains points à garder à l'esprit avant d'opter pour SLS.

1. Options de matières premières limitées

Le frittage laser sélectif n'offre pas un catalogue solide de matériaux. Mis à part quelques types de nylon, d'élastomères thermoplastiques et de TPU (polyuréthane thermoplastique), les matériaux compatibles avec le SLS sont un peu difficiles à trouver. L'apparence physique est également limitée aux finitions métalliques grisâtres.

Alors que la recherche scientifique élargit la portée matérielle de l'impression SLS, c'est un inconvénient évident pour l'instant.

2. Surface granuleuse

La construction finale, bien que dimensionnellement précise, n'a pas une surface lisse et brillante. Dans de nombreux cas, cela peut nécessiter des traitements de surface supplémentaires pour répondre aux exigences de fabrication. Les techniques concurrentes comme la stéréolithographie ont une bien meilleure finition de surface.

Nous discuterons de certaines des méthodes de post-traitement populaires dans la section suivante qui aident à résoudre ce problème.

3. Imprimantes chères

Les imprimantes SLS sont généralement des machines coûteuses. Il faut s'attendre à dépenser plus de 5 000 $ pour des versions moins chères. Les versions haut de gamme se situent dans la fourchette de 100 000 $ et plus.

Il convient de noter ici, cependant, que l'investissement initial est légèrement compensé par des coûts de matériel et d'impression comparativement inférieurs. De plus, il y a une nouvelle vague d'imprimantes 3D de paillasse innovantes qui arrivent sur le marché qui ne sont pas aussi chères mais qui ont des spécifications décentes. En savoir plus sur les coûts des services d'impression 3D.

4. Dangers pour la santé et l'environnement

Le matériau SLS se présente sous la forme de poudres fines avec une taille de particules aussi petite que 20 microns. Des particules de ces dimensions infimes peuvent facilement pénétrer dans notre système respiratoire et créer des problèmes de santé. Le frittage peut créer des fumées qui peuvent s'échapper de l'environnement de travail et contribuer négativement à l'environnement.

Il est recommandé aux opérateurs d'utiliser des EPI appropriés comme des masques et des gants lorsqu'ils manipulent ces matériaux.

Matériaux adaptés à l'impression 3D SLS

Les polymères en poudre frittables constituent la principale classe de matériaux SLS. Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des principaux matériaux entrant dans cette catégorie.

1. PA12

Le PA 12 est également connu sous le nom de Nylon 12 et Polyamide 12. Il a une grande résistance à la traction, une ténacité et une flexibilité. Le PA 12 est également résistant aux produits chimiques et à la chaleur, ce qui en fait un candidat idéal pour les produits fonctionnels.

Il a une surface légèrement granuleuse et mate après l'impression 3D. Naturellement, il a une couleur blanche qui peut être facilement teintée dans d'autres couleurs.

2. PA11

Le polyamide 11/nylon 11 est biocompatible, solide, flexible, résistant à la chaleur et aux produits chimiques. Il est connu pour son comportement isotrope, qui est excellent dans certaines applications porteuses telles que les intérieurs automobiles, les prothèses et les équipements médicaux.

3. Alumide

L'alumide est un nylon rempli de poudre d'aluminium. Ce mélange est fait pour une plus grande résistance et rigidité. De plus, l'aluminium donne également son aspect métallique brillant au produit final, qui n'est pas aussi granuleux qu'un matériau en nylon pur comme le PA12 ou le PA11.

4. PA-CF

Le nylon chargé de fibre de carbone est une combinaison haute performance avec une résistance d'élite et une résistance aux chocs. Il est remarquablement léger, caractéristique des produits en fibre de carbone. Les applications courantes incluent les gabarits, les fixations et les pièces automobiles légères.

Options de finition de surface pour les pièces d'impression SLS

Le post-traitement a été abordé ci-dessus, mais nous n'avons pas mis en évidence les différentes techniques utilisées par les experts. Cependant, l'état de surface des pièces dépoudrées n'est pas idéal. Ainsi, selon les exigences de fabrication, un certain nombre de traitements de surface peuvent être appliqués

1. Ponçage/meulage manuel

Une surface légèrement plus fine est réalisable par l'utilisation de techniques manuelles. Les opérateurs utilisent du papier de verre de différentes qualités ou des rectifieuses pour appliquer un traitement de surface uniforme et atteindre tous les coins de la géométrie.

2. Dynamitage et culbutage

Ces méthodes permettent d'obtenir une excellente finition de surface. Pour le grenaillage, les supports courants sont les billes de verre, et pour le culbutage, les copeaux de céramique sont largement utilisés. Dans les deux cas, ces particules entrent en collision avec la surface de la pièce SLS pour l'aplatir.

Cependant, un inconvénient est qu'une partie de la matière est également supprimée, ce qui modifie les dimensions de la pièce. De plus, les arêtes vives peuvent également être arrondies, ce qui peut être souhaitable ou non.

3. Traitement chimique

Les produits chimiques tels que l'acétone peuvent réagir avec la surface pour la rendre lisse. Ce n'est pas une méthode populaire mais elle est viable dans certains cas. Des précautions doivent être prises en ce qui concerne la réactivité lors de la sélection du produit chimique.

4. Revêtement

Divers revêtements peuvent être appliqués pour obtenir des propriétés physiques spécifiques. Des revêtements métalliques comme l'or ou le cuivre sont parfois utilisés pour plus de solidité et d'esthétique. Les pièces imprimées en 3D étant poreuses, des revêtements étanches comme le silicone peuvent être appliqués pour améliorer les performances.

5. Teinture / Laquage

Une solution simple pour améliorer la qualité de la surface consiste à appliquer une couche de peinture ou de laque sur la surface rugueuse. Cela améliore l'apparence de la pièce, lui donne une sensation brillante et ne prend pas beaucoup de temps.

Applications de l'impression 3D SLS

SLS a trouvé une application dans plusieurs industries importantes en raison de ses nombreux points forts.

1. Prototypage et fabrication rapides

Les propriétés mécaniques des pièces imprimées en 3D SLS sont comparables à celles des pièces fabriquées par d'autres procédés. Cependant, la production est plus rapide et pratique. Pour cette raison, les pièces SLS sont largement utilisées pour le prototypage rapide et la fabrication de produits fonctionnels.

Les développeurs de produits ont la liberté de parcourir rapidement les itérations de conception grâce à la vitesse d'impression rapide et à la fonctionnalité des pièces.

2. Aéronautique et automobile

Ces deux industries sont constamment à la recherche de pièces légères et résistantes aux chocs, qualités caractéristiques de l'impression SLS. Par conséquent, l'impression 3D devient également populaire pour la fabrication de pièces personnalisées et élégantes pour la modernisation ou la décoration d'automobiles.

Les composants ignifuges des moteurs aérospatiaux sont une autre application où les qualités spécifiques des matériaux SLS conviennent. En plus de cela, il est également populaire pour la fabrication de conduits d'air et de prototypes.

3. Médical

Dans l'industrie médicale, les prothèses et orthèses fonctionnelles conçues sur mesure sont aujourd'hui imprimées en 3D. En effet, la technologie de numérisation 3D permet de façonner ces pièces exactement selon le physique du patient et le SLS aide à obtenir les propriétés mécaniques requises.

Services d'impression 3D SLS de WayKen

SLS est une technologie de fabrication additive populaire utilisée par de nombreuses industries pour sa précision, son exactitude et sa productivité. Cependant, maîtriser la technologie peut être difficile, il est donc important de travailler avec un fournisseur de services réputé qui possède l'expérience et l'expertise nécessaires pour fournir des résultats de qualité.

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Conclusion

Le frittage sélectif par laser a indiscutablement marqué le paysage de la fabrication additive ces dernières années. Son potentiel et son utilisation ne cessent de croître car il attire de plus en plus d'industriels.

Pour conclure ce guide, nous conseillons à nos lecteurs d'utiliser ce guide dans leur prise de décision lorsqu'ils optent pour l'impression 3D. C'est encore un marché relativement nouveau et il faut être bien informé avant de finaliser son choix de méthode d'impression 3D et de fabricant.

FAQ

Quels sont les types d'imprimantes 3D SLS ?

Les imprimantes 3D SLS diffèrent de plusieurs manières :

-Taille :Des imprimantes de bureau avec un volume de fabrication de 100 x 100 x 100 mm aux imprimantes haut de gamme de qualité industrielle avec des volumes de fabrication allant jusqu'à 500 x 500 x 500 mm.

-Types de laser :Les imprimantes SLS peuvent être équipées d'un laser CO2, d'un laser à fibre, d'un laser infrarouge ou d'une diode laser.

-Spécifications d'impression :Les spécifications telles que la vitesse d'impression, l'épaisseur de couche minimale, les capacités des matériaux, etc. diffèrent toutes d'un produit à l'autre.

Quelle est la différence entre l'impression par frittage laser sélectif (SLS) et l'impression par fusion laser sélective (SLM) ?

Le SLS joint les particules de matériau en les frittant. Ce processus se produit en dessous du point de fusion du matériau et les particules fusionnent simplement les unes dans les autres. Le SLM, quant à lui, opère au-dessus du point de fusion et fait fondre complètement les particules, qui se solidifient ensuite en une partie homogène.

SLM produit des pièces avec de meilleures propriétés mécaniques et convient à des applications de très haute qualité. SLS produit également des pièces fonctionnelles mais n'est pas aussi solide que SLM.

Quels matériaux sont couramment utilisés pour l'impression 3D SLS ?

Les polymères thermodurcissables et le polyuréthane thermoplastique sont des matériaux couramment utilisés dans l'impression 3D SLS. Plus précisément, les matériaux comme le nylon 12 et le nylon 11 sont les plus populaires. Certaines applications spéciales utilisent également un mélange de ceux-ci avec des métaux (aluminium) ou des fibres (fibre de carbone, fibre de verre).