Comment choisir la meilleure technologie d'impression 3D : Comparatif FDM, SLA et SLS

La fabrication additive est le terme utilisé pour décrire l'ensemble des technologies de fabrication basées sur l'apport de matériau. Cela signifie que, contrairement à la fabrication soustractive (qui englobe les méthodes traditionnelles d'usinage CNC), elle repose sur la construction de pièces en apportant couche par couche la quantité précise de matériau de manière sélective.

Cependant, au sein de cette catégorie, on trouve une multitude de technologies très disparates, chacune avec ses avantages et inconvénients, donc connaître leurs fondamentaux et leurs limitations est d'une grande importance pour sélectionner la plus adaptée à chaque besoin.

Bien qu'il existe de nombreuses technologies et variantes, les plus courantes et répandues dans l'industrie sont trois :

• Dépôt de matière fondue (FDM)
• Photopolymérisation sélective de résines (SLA)
• Frittage laser sélectif (SLS)

Bien que la plus répandue soit sans doute la technologie FDM. Principalement en raison de l'apparition d'imprimantes 3D à bas coût basées sur cette technologie, ces dernières années, tant la technologie SLA que SLS ont gagné du terrain. Des entreprises comme Formlabs ou Sinterit commercialisent des équipements, basés respectivement sur SLA et SLS, capables d'atteindre des qualités industrielles à des prix vraiment compétitifs. Cela, conjugué à l'apparition de nouveaux matériaux, rend actuellement difficile pour une entreprise ou un professionnel de choisir une technologie plutôt qu'une autre.

Nous détaillons ci-dessous les principales caractéristiques de chacune, ainsi que leurs différences, avantages et inconvénients.

Modélisation par dépôt de matière fondue (FDM)

C'est de loin la technologie la plus populaire. Elle repose sur l'extrusion à travers une buse ou "nozzle", d'un thermoplastique au-dessus de sa température de fusion. Au fur et à mesure que le matériau extrudé sort de la buse, il est déposé sélectivement couche par couche pour former la pièce.

Image 1 : Impression FDM. Source : commons.wikimedia.com

Malgré être la plus courante, c'est la plus complexe en matière de conception et de préparation de fichiers pour l'impression. Les limitations de l'impression 3D FDM déterminent souvent la conception elle-même, donc en général, lorsque des pièces sont produites avec cette technologie, il est nécessaire de les concevoir ou reconcevoir 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 avec 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.

Comme le matériau fondu ne peut pas être déposé dans le vide, il n'est pas possible d'imprimer directement des ponts ou des porte-à-faux, donc dans ces cas, il faut ajouter des structures de support. Cela suppose une plus grande dépense de matériau et de temps, en plus du fait que les pièces auront besoin de post-traitement pour retirer ces supports et la qualité de surface dans la zone de contact sera affectée.

Image 2 : Pièces imprimées avec supports. Source : Simplify3D

Un moyen de minimiser certains inconvénients de l'utilisation de supports est de les imprimer avec un matériau soluble. Cela facilitera leur retrait et améliorera la qualité de surface de la zone de contact. Cela nécessite que l'imprimante dispose d'un système à double extrudeur tel que le système IDEX pour les imprimantes BCN3D Sigma et BCN3D Sigmax ou le double extrudeur Bondtech incorporé dans les imprimantes 3D Raise Pro2.

Vidéo 1 : Système IDEX BCN3D. Source : BCN3D

D'autre part, comme nous l'avons expliqué dans un article précédent, l'utilisation du FDM rend impossible l'obtention de 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 soit possible d'atteindre des résolutions en Z proches de celles obtenues par SLA ou SLS, la résolution XY sera toujours bien inférieure et sera conditionnée par le matériau utilisé. Cela est dû au fait que la résolution est déterminée par le diamètre de la buse utilisée et que tous les matériaux ne sont pas compatibles avec des buses de petit diamètre.

Cependant, tout n'est pas désavantage. La technologie FDM dispose, de loin, de la plus large gamme de matériaux et à moindre coût, en plus de volumes d'impression plus importants et, bien que la différence de prix entre les différentes technologies se soit réduite, elle reste la technologie la moins chère.

Image 3 : Pyramide des principaux matériaux disponibles pour l'impression 3D FDM. Source : 3dhubs.com

C'est aussi une technologie propre et sûre qui nécessite peu de préparation avant l'impression. Cela permet de la situer dans n'importe quel environnement et offre plus d'immédiateté que l'impression SLA et SLS qui nécessitent des tâches de préparation et de nettoyage plus étendues, ce qui en fait la technologie idéale pour les applications éducatives à tout niveau, de l'élémentaire aux études supérieures.

C'est une technologie idéale pour l'impression de gabarits et d'outils, de pièces de volume moyen ou grand, ou pour les applications nécessitant 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 maquettes architecturales. En général, ce type de projet est composé de pièces volumineuses qui ne nécessitent pas une haute précision. Cela, conjugué à la disponibilité de matériaux tels que Filamet, Timberfill, Smartfil EP ou PLA Mukha capables de fournir des finitions métal, bois ou céramique aux pièces sans post-traitement.

Image 4 : Maquette architecturale imprimée en FDM. Source : Raise3D

Stéréolithographie (SLA)

C'est la deuxième technologie d'impression 3D la plus courante. Elle repose sur l'exposition sélective d'une cuve de résine photopolymérisable à la lumière ultraviolette couche par couche. Cette exposition sélective peut se faire par balayage laser (SLA), par projecteur (DLP) ou par LED masquée (LED-LCD / MSLA).

Image 5 : Différences entre SLA, DLP et MSLA. Source : theorthocosmos.com

Comme l'impression 3D FDM, elle nécessite 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 le seul moyen de retirer les supports est mécanique. Cela signifie que dans ce cas, la surface de la pièce est également affectée dans les zones où il y a eu contact avec les supports.

Image 6 : Supports d'une pièce imprimée en SLA. Source : 3Dhubs.com

Une autre différence fondamentale par rapport à l'impression 3D FDM est qu'elle utilise des polymères thermodurcissables au lieu de thermoplastiques. De plus, les matériaux SLA ont tendance à être plus chers que les matériaux FDM et présentent une certaine toxicité. Cela, conjointement 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 réside dans la haute résolution et l'excellente finition de surface atteignables par l'impression 3D SLA. En général, des résolutions allant jusqu'à 50 µm peuvent être atteintes dans tous les plans.

Bien qu'il existe des imprimantes SLA avec de grands volumes d'impression comparables à ceux des imprimantes 3D FDM, en général, les imprimantes 3D SLA ont tendance à avoir des volumes d'impression considérablement plus faibles.

Elle est parfaite pour l'impression de petites pièces nécessitant une haute résolution et d'excellentes finitions de surface. C'est actuellement la technologie d'impression 3D la plus populaire dans les industries dentaire et joaillière. C'est pourquoi elle dispose du catalogue le plus large de résines dentaires et calcinables.

Image 7 : Modèles dentaires imprimés en SLA. Source : Formlabs.

Frittage laser sélectif (SLS)

C'est probablement la technologie la moins connue, malgré être l'une des plus anciennes et des plus courantes dans les environnements industriels.

Cela est dû au fait que jusqu'à récemment, tous les équipements d'impression 3D SLS nécessitaient des installations adéquates et que le coût tant de l'équipement que de l'implantation 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 et d'implantation sont proches de ceux des systèmes FDM et SLA. Bien que cette technologie permette la production de pièces thermoplastiques et métalliques, comme l'objectif de cet article est de comprendre les différences entre les trois technologies, nous nous concentrerons uniquement sur l'impression 3D SLS thermoplastique.

L'impression 3D SLS consiste à fritter sélectivement, à l'aide d'un système de balayage laser, des couches de matériau en poudre. Chaque fois qu'une couche est frittée, le plateau de construction descend et un dispositif spécial appelé "recoater" 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 rend les contraintes de conception bien moindres que dans toute autre technologie, en plus de simplifier considérablement le post-traitement des pièces.

Cela, couplé à la haute précision atteinte 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 leurs composants individuellement.

Vidéo 2 : Dérailleur de vélo produit directement par impression 3D SLS. Source : Sinterit.

Un autre avantage important est que les pièces imprimées par SLS sont denses et présentent une haute isotropie, ce qui en fait la technologie idéale pour la production de modèles fonctionnels et de prototypes. Tout cela, conjointement à la bonne finition de surface, la rend également adaptée à la production de petites séries de produits finis.

Les imprimantes 3D SLS 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, la rend capable de couvrir la plupart des applications.

Vidéo 3 : Pièce imprimée en TPU par impression 3D SLS. Source : Sinterit.

Malgré tous les avantages, le principal facteur limitant de l'impression 3D SLS est le volume de construction. Bien que les équipements industriels aient de grands volumes de construction 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 des pièces se limite au nettoyage pour éliminer l'excès de poudre non frittée, les imprimantes 3D SLS nécessitent une préparation et un nettoyage qui les rendent moins immédiates que l'impression FDM.

Bien que toutes ces caractéristiques aient fait de cette technologie la norme industrielle, ses coûts élevés en ont limité l'accès aux petites et moyennes entreprises. Avec l'avènement d'imprimantes 3D SLS de bureau abordables comme la Lisa et la Lisa Pro ces dernières années, cela change. Bien que son coût soit encore légèrement supérieur aux modèles équivalents en FDM et SLA, actuellement, le coût n'est plus un facteur déterminant lors du choix d'une technologie ou d'une autre.

Image 9 : Sinterit Lisa Pro. Source : Sinterit.

Comparatif entre FDM, SLA et SLS

Pour comparer correctement les trois technologies, il faut 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 élevée	Moyenne	Faible
Prix des matériaux	Moyen - Bas	Élevé	Moyen
Complexité	Élevée	Moyenne	Moyenne
Immédiateté	Très élevée	Moyenne	Faible
Résolution minimale de couche	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	Moyenne	Élevée
Applications	Prototypage rapide. Éducation. Fabrication de gabarits et outils.	Modèles avec petits détails. Négatifs calcinables pour joaillerie et dentisterie. Gouttières.	Prototypes fonctionnels. Petites séries. Gabarits et outils. Composants orthopédiques. Modèles médicaux
Avantage	Prix bas. Immédiateté. Matériaux disponibles.	Haute résolution. Matériaux dentaires et calcinables de qualité.	Impression sans supports. Pièces de haute qualité. Impression directe d'assemblages. Haute précision.
Inconvénients	Nécessité d'utiliser des supports. Certains matériaux ont un fort retrait.	Coût élevé des matériaux. Faible volume d'impression.	Temps d'impression longs. Faible volume d'impression.

Le tableau suivant montre les limitations de conception de chaque technologie :

Exigences de conception
Caractéristique	FDM	SLA	SLS
Porte-à-faux	Nécessite supports à partir de 45°	Nécessite toujours des supports	Ne nécessite jamais de supports
Ponts	Nécessite supports à partir de 10 mm	Ne nécessite pas de supports, bien qu'ils soient recommandés	Ne nécessite jamais de supports
Épaisseur de paroi minimale	0,8 mm	0,5 mm sur parois supportées 1 mm sur parois non supportées	0,7 mm
Gravures	0,6 mm de large 2 mm de haut	0,4 mm	1 mm
Diamètre minimum des trous	2 mm	0,5 mm	1,5 mm
Tolérance sur pièces mobiles et assemblages	0,5 mm	0,5 mm	0,3 mm sur pièces mobiles 0,1 mm sur assemblages
Trous d'évacuation dans pièces creuses	Non nécessaire	4 mm	5 mm
Taille minimale de détail	2 mm	0,2 mm	0,8 mm
Diamètre minimum de colonne	3 mm	0,5 mm	0,8 mm
Tolérances générales	±0,5% (limite inférieure ± 0,5 mm)	±0,5% (limite inférieure ± 0,15 mm)	±0,3% (limite inférieure ± 0,3 mm)

Aujourd'hui, des équipements 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, le seul critère lors de la décision d'implémenter une technologie ou une autre sera des critères techniques.

Il est nécessaire d'évaluer soigneusement les besoins et l'usage qui sera donné à l'imprimante 3D pour décider quelle technologie est la plus adaptée et pouvoir rentabiliser l'investissement.