Comment SLA et SLS révolutionnent le prototypage rapide

Publié le : 13 juillet 2018 | Par Will, Chef de projet WayKen

Avec le développement technologique, l'impression 3D est passée du concept à la réalité. La saturation des industries a poussé les fabricants à non seulement produire, mais à utiliser des méthodes innovantes pour produire plus en moins de temps. Ils emploient donc diverses techniques de prototypage rapide, qui économisent temps et coûts tout en produisant les meilleurs prototypes fonctionnels à partir de modèles CAO 3D.

Histoire de l'impression 3D

Le concept remonte à 1981, quand l'Institut de recherche industriel municipal de Nagoya utilisa des polymères thermodurcissables photodurcissables pour fabriquer des modèles 3D avec un masque contrôlant l'exposition UV. À l'époque, son usage était limité par les restrictions de matériaux et de logiciels de modélisation 3D. Dès 2000, la Chine importait des équipements de prototypage rapide commerciaux, principalement pour l'impression 3D industrielle. Le terme est devenu populaire en 2013 quand deux employés de la NASA, Samantha Snabes et Matthew Fiedler, présentèrent le premier prototype d'imprimante 3D abordable, la Gigabot.

L'impression 3D : tendance majeure du prototypage rapide

De la réduction des coûts à l'augmentation de l'efficacité par l'innovation, beaucoup sont enthousiasmés par l'impact futur de l'impression 3D sur la fabrication. Pourtant, elle a déjà un impact significatif sur l'industrie comme sur les particuliers.

Une imprimante 3D domestique sert de produit R&D et pour concevoir des modèles 3D dans l'industrie. Mais dire qu'elle est réservée aux clients industriels est faux. Elle devient populaire chez les particuliers grâce à ses nombreuses applications, notamment parce que les matériaux deviennent moins chers et plus accessibles. De plus, une imprimante 3D occupe bien moins d'espace que les méthodes soustractives conventionnelles (fraiseuse CNC, tour, rectification de précision).

La disponibilité des logiciels de modélisation aide aussi cette technologie. Généralement, le modèle est sauvé en STL, format CAO pour prototypage rapide stockant les données par triangulation. Mais ce format génère beaucoup de structures en treillis causant des erreurs. Les logiciels récents utilisent le format AMF (Additive Manufacturing File Format) générant moins d'erreurs, avec une interface conviviale facilitant la modélisation 3D pour tous.

Une étude récente prévoit 6,7 millions d'imprimantes 3D expédiées dans le monde d'ici 2020, soit 14 fois plus qu'en 2016. Avec l'amélioration des technologies, l'impression 3D continuera d'élever l'industrie manufacturière vers de nouveaux sommets.

Figure 1 : Expéditions mondiales d'imprimantes 3D de 2015 à 2020

Technologies d'impression 3D

Deux technologies sont les plus couramment utilisées : le prototypage rapide SLA et SLS.

1. Prototypage rapide SLA

La stéréolithographie (SLA) est une technologie d'impression 3D créant prototypes, modèles, motifs couche par couche par photopolymérisation. Ce processus lie les molécules en polymères sous l'action de la lumière. La résine (matériau) est solidifiée par lumière et rayons UV, créant le prototype désiré couche par couche.

Figure 2 : Processus de prototypage rapide SLA

Les rayonnements UV construisent une forme préprogrammée sur la cuve de photopolymère. Comme les photopolymères sont sensibles aux UV, la résine se solidifie formant une couche unique. Les couches se solidifient ainsi jusqu'à l'obtention du prototype final.

Les produits SLA ont la plus haute résolution et finition de surface de toutes les techniques de prototypage rapide 3D, mais leur polyvalence réside dans la résine utilisée. Avec le développement technologique, les ingénieurs matériaux ont créé différentes résines SLA aux propriétés équivalentes aux thermoplastiques d'ingénierie standards.

Usages

Le prototypage rapide SLA est largement utilisé dans diverses industries depuis son apparition.

· Modélisation médicale

Les produits SLA sont utilisés en médecine depuis l'introduction de la technologie. Ils créent des modèles anatomiques 3D de régions du corps du patient basés sur des scans. Ces modèles aident au diagnostic et au traitement. Les chirurgiens les utilisent pour assister la chirurgie, les prothésistes pour fabriquer des implants sur mesure.

Figure 3 : Modèle produit par prototypage rapide SLA

· Prototypage

Le SLA crée aussi des prototypes de matériaux de forme régulière/irrégulière à coût relativement faible. Les prototypes SLA peuvent être usinés et servir de modèles pour diverses opérations de moulage métallique.

2. Prototypage rapide SLS

Le frittage laser sélectif (SLS) utilise un laser comme solidificateur pour matériau en poudre, principalement du nylon. Le nylon est un thermoplastique d'ingénierie aux propriétés mécaniques impressionnantes, léger et stable. L'imprimante vise automatiquement le laser sur la poudre pour la solidifier et créer la structure requise. Le SLS diffère du SLM (Selective Laser Melting) où le matériau est fondu plutôt que fritté.

Figure 4 : Processus de prototypage rapide SLS

Comme le SLA, le SLS utilise des modèles CAO pour développer le prototype avec de la poudre frittée. Il utilise un laser haute puissance (souvent CO2) pour fusionner de petites particules de poudre en forme du prototype souhaité. Le laser balaye les sections transversales générées par le modèle CAO et fusionne sélectivement les matériaux frittés. Après chaque balayage, le lit de poudre descend et une nouvelle couche est appliquée jusqu'à la pièce finale.

Le nylon utilisé en SLS permet de créer des prototypes à haute résistance mécanique, résistants aux chocs, à la lumière et à l'eau. Le faible coût de production et la haute productivité rendent cette technique très populaire dans l'industrie.

Usages

Le prototypage rapide SLS est largement utilisé dans diverses industries depuis son apparition.

· Industrie aérospatiale

Le SLS est populaire dans les industries nécessitant des pièces de haute qualité en petites quantités. L'aérospatiale en est un exemple : prototypes pour avions. Comme les avions sont construits en petit nombre et restent en service des décennies, le SLS produit des pièces de haute qualité pour cette industrie.

Figure 5 : Panneau de compartiment produit par Airbus via SLS

· Prototypage de géométries complexes

Le SLS est largement utilisé pour produire des géométries complexes à partir de modèles CAO. Il peut produire des prototypes avec une variété de matériaux fusionnés sous l'action du laser. L'absence de structures de support le rend très populaire pour des pièces de haute qualité.

Figure 6 : Hélice conçue par prototypage rapide SLS

Comparaison entre SLA et SLS

1. Matière première utilisée

SLS : Poudre de nylon, poudre de polycarbonate, poudre de chlorure de vinyle, poudres haute performance.
SLA : Polymère liquide dont la qualité n'est pas comparable aux thermoplastiques.

2. Retrait du matériau

SLS : Retrait de 2 à 4 %.
SLA : Retrait inférieur à 0,4 %, permettant des pièces plus détaillées.

3. Taille de construction

SLS : Prototypes jusqu'à 1500 x 750 x 500 mm.
SLA : Prototypes jusqu'à 145 x 145 x 175 mm.

4. Finition de surface

SLS : Finition rugueuse et légèrement lâche.
SLA : Finition relativement lisse.

5. Résistance

SLS : Résistance élevée grâce au matériau.
SLA : Résistance relativement faible.

6. Opérations d'usinage

SLS : Prototypes faciles à usiner (fraissage, tournage, perçage...).
SLA : Faible résistance, usinage difficile, grande précaution nécessaire.

7. Résistance à l'usure

SLS : Similaire aux thermoplastiques.
SLA : Faible résistance aux conditions environnementales. L'utilisation de résines époxy peut l'améliorer considérablement.

Figure 7 : Modèle produit par prototypage rapide SLS

Avantages : Impression 3D par SLA et SLS

Pour produire en masse dans un délai court, l'impression 3D est un outil essentiel. Voici ses nombreux avantages :

1. Rentabilité

La rentabilité est un avantage majeur. La résistance et la finition du prototype ne nécessitent pas de modifications, économisant de l'argent. De plus, la production en série économise aussi beaucoup.

2. Vitesse

Cette technique permet de produire plus de pièces plus vite, consommant beaucoup moins de temps que les procédés industriels conventionnels. Il suffit d'un modèle CAO et l'imprimante développe le produit bien plus rapidement. Le prototype est de haute qualité et résistance, rendant la technique populaire dans l'industrie comme chez les particuliers.

3. Réduction de l'espace de stockage

L'imprimante 3D occupe bien moins d'espace que les machines de production de masse conventionnelles. Les outils de celles-ci sont lourds et chers comparés à une imprimante 3D compacte.

4. Atténuation des risques

L'impression 3D permet de vérifier un design avant de produire un prototype coûteux via le modèle CAO. Ce dernier est corrigé en conséquence. La production de moules de test est bien moins chère que la modification d'un moule déjà produit.

5. Retour d'information

Avec un prototype, on peut tester le potentiel marché du produit avant de le produire réellement. La réaction des acheteurs prédit les perspectives futures et aide à décider du volume de production de masse.

6. Personnalisation

Avec l'usinage standard pour la production de masse, toutes les pièces sortent identiques, avec les mêmes défauts. En impression 3D, il y a toujours place pour la personnalisation selon les exigences du client ou du marché.

Remarques finales

Le prototypage SLA et SLS sont considérés comme de grandes révolutions technologiques. La production d'un prototype fonctionnel n'est plus difficile grâce à ces deux techniques selon les caractéristiques requises. Le SLA est meilleur pour la finition de surface, le SLS pour les produits à haute résistance. Tous deux sont des techniques de prototypage rapide de premier plan pour la production de masse avec moins d'erreurs.