Imprimantes 3D résine : SLA, DLP et LED-LCD expliquées

L'impression 3D de résines photopolymérisables a gagné du terrain ces dernières années pour devenir la deuxième technologie d'impression 3D la plus populaire après le FFF, tant dans les environnements professionnels que makers. Ce boom est le résultat de deux facteurs importants. D'une part, le coût réduit des imprimantes 3D résine grâce à l'émergence de nouvelles technologies a placé les imprimantes résine dans le même segment de prix que le FFF. D'autre part, l'émergence de nouveaux matériaux comme les résines dentaires, flexibles et d'ingénierie a permis de produire des pièces en résine qui n'étaient auparavant viables qu'en utilisant le FDM ou le SLS.

La principale force de l'impression 3D résine, qui a attiré l'attention de certains secteurs professionnels comme la dentisterie ou la joaillerie, est la haute résolution qu'elle est capable d'atteindre, allant de 50 µm à 150 µm en XY et de 30 µm à 200 µm en Z, ce qui est en dessous de la résolution minimale d'une imprimante 3D FFF. En conséquence, les pièces imprimées en résine ont une haute qualité de surface et un haut niveau de détail, leur donnant la plus haute qualité esthétique de toutes les technologies de fabrication additive.

Bases de l'impression 3D résine

L'impression 3D résine repose sur un principe complètement différent de celui utilisé dans la plupart des technologies d'impression 3D comme le FFF ou le SLS. Alors que dans celles-ci, un polymère thermoplastique est utilisé comme point de départ et chauffé à la température de fusion pour former la pièce, l'impression résine repose sur la polymérisation d'un mélange réactif de monomères et oligomères par application sélective de lumière. Cela signifie qu'au lieu d'utiliser du plastique comme matière première, dans l'impression résine, on utilise les composants de base qui constituent le plastique et le plastique est formé par réaction chimique pendant le processus d'impression.

Les résines pour l'impression 3D sont principalement composées de trois composants :

Monomères et oligomères : Ce sont de petites molécules qui réagissent entre elles pour former de longues chaînes polymères, qui sont le composant fondamental du plastique. La longueur de ces chaînes déterminera largement leurs propriétés.

Agent de réticulation (Cross-linking agent) : Consiste en des molécules plus ou moins grandes avec deux ou plus groupes réactifs capables de se lier en divers points aux chaînes polymères. Sa fonction est de maintenir les chaînes fermement connectées entre elles. En général, les plastiques formés en présence d'agents de réticulation donnent lieu à ce qu'on appelle des plastiques thermodurcissables ou résines.

Photoinitiateur : C'est le responsable de la promotion de la réaction entre les monomères ou de ceux-ci avec l'agent de réticulation. Ce sont des molécules organiques, généralement des colorants ou fluorophores, capables de produire des cations ou radicaux libres en présence de lumière à une longueur d'onde donnée, initiant ainsi des réactions de polymérisation radicalaire ou cationique.

La lumière, généralement bleue (405 nm) ou violette (365 nm - 385 nm), est utilisée pour activer les photoinitiateurs et faire solidifier la résine, car c'est la bande la plus énergétique du spectre visible. Pour ce faire, seules les zones qui feront partie de la pièce sont illuminées à chaque couche.

Image 1 : Spectre de la lumière visible. Source : Wikipedia.com

Les technologies d'impression 3D résine sont déterminées par le type de source lumineuse et la méthode d'éclairage sélectif utilisée. Actuellement, il y a trois technologies courantes : SLA, DLP et LED-LCD.

Impression 3D SLA

L'impression 3D SLA ou stéréolithographie est la plus ancienne technologie d'impression 3D commerciale. Elle a été développée pendant la première moitié des années 1980 et brevetée en 1986 par Chuck Hull, fondateur de 3D Systems, juste trois ans avant que Scott Crump, fondateur de Stratasys, ne brevette la technologie FDM.

Dans l'impression 3D SLA, la résine est durcie à l'aide d'un faisceau laser entre 150 et 300 µm de diamètre. Le laser balaye la surface de chaque couche en utilisant un système de miroirs mobiles appelé galvanomètre. Le principal avantage de cette technologie est la haute précision qu'elle peut atteindre, surtout dans la zone centrale de la plateforme de construction, qui n'est surpassée que par la technologie SLS.

Image 2 : Processus d'impression SLA. Source 3Dhubs.com

Un autre de ses avantages, dérivé en partie de cette haute précision, est qu'elle atteint une finition de surface supérieure à celle obtenue en DLP et LED-LCD car elle ne présente pas l'effet d'escalier qu'on peut voir dans ces derniers.

Image 3 : Finition de surface en impression 3D SLA et DLP. Source : Formlabs.com

Cependant, tout n'est pas avantage, car c'est la technologie d'impression résine la plus lente. Pour chaque couche, il est nécessaire de balayer toute la surface de la pièce avec le laser, ce qui est un processus lent, qui augmente plus on positionne de pièces dans l'espace de construction. De plus, il est nécessaire de maintenir les vitesses de balayage dans une plage spécifique, car des vitesses très élevées entraîneraient une perte de précision, la force principale de cette technologie.

Vidéo 1 : Comment fonctionne l'impression SLA. Source : Formlabs.com

C'est la technologie utilisée par les renommées imprimantes Formlabs, la marque de référence pour l'impression résine. Des imprimantes comme la Form 3 ou Form 3B utilisent cette technologie en conjonction avec des galvanomètres de haute précision pour offrir les standards de qualité les plus élevés dans des secteurs critiques comme la haute joaillerie, la dentisterie ou la médecine.

Image 4 : Imprimante Form 3B. Source : Formlabs.com

Impression 3D DLP

La technologie d'impression 3D DLP a été développée dans le but de réduire les temps d'impression 3D résine. Au lieu de balayer la surface de la pièce avec un laser, la couche entière est projetée simultanément à l'aide d'une source lumineuse, un dispositif consistant en un réseau de micro-miroirs mobiles connu sous le nom de DMD (Digital Micromirror Device) et un ensemble de lentilles responsables de projeter l'image sur la résine.

Vidéo 2 : Comment fonctionne un DMD. Source : TI.com

Cette technologie a été une révolution, car chaque couche est formée en quelques secondes et le temps d'impression est indépendant du nombre de pièces placées sur le plateau, dépendant seulement de la hauteur de celles-ci.

Son principal inconvénient est que la résolution d'impression est déterminée par la densité de micro-miroirs qui forment le DMD et la surface projetée. Pour le même système DMD, une surface d'impression plus grande entraînera toujours une diminution proportionnelle de la résolution, ce qui n'est pas le cas avec les systèmes SLA, où la résolution est déterminée par le diamètre du faisceau laser et est indépendante de la surface d'impression.

De plus, l'utilisation de lentilles de projection peut causer des distorsions dans les zones éloignées du centre, qui sont plus grandes plus la taille de construction est grande. Il est possible de corriger ces distorsions en utilisant des systèmes optiques plus complexes, cependant, ils rendent souvent l'appareil très cher et donc peu populaire.

La qualité de surface des pièces est généralement légèrement inférieure à celles produites par SLA, et dans de nombreux cas, l'effet d'escalier apparaît.

Image 5 : Effet d'escalier dérivé de l'utilisation de voxels carrés en DLP. Source : theorthocosmos.com

Bien que les temps d'impression aient été critiques réduits, cette technologie n'a pas déplacé la technologie SLA. Aujourd'hui, c'est une technologie qui est tombée en désuétude, déplacée principalement par l'apparition de la technologie LED-LCD.

Impression 3D LED-LCD ou MSLA

C'est la dernière technologie à atteindre le marché et a connu une croissance significative ces dernières années. Elle a été développée comme une évolution de la technologie DLP, et a aujourd'hui pratiquement remplacé celle-ci.

Le fonctionnement est similaire à la technologie DLP, cependant, au lieu de refléchir la lumière en utilisant un dispositif de micromiroirs numériques (DMD), elle utilise un dispositif LCD dans lequel chaque pixel agit comme une petite fenêtre qui bloque ou laisse passer la lumière.

Image 6 : SLA vs DLP vs MSLA. Source : theorthocosmos.com

Les dispositifs LCD sont les mêmes que ceux utilisés dans les écrans de mobiles, TV ou panneaux d'ordinateur, donc le coût est bien inférieur à celui des dispositifs DMD. De plus, ils sont disponibles en tailles de 3" à 80", donc la projection est directe et perpendiculaire à la base sur toute la surface. Cela évite l'utilisation de systèmes de lentilles de projection coûteux et complexes et les distorsions qu'ils causent dans les pièces produites en DLP.

Parmi ses principaux avantages figurent sa haute vitesse d'impression et son faible coût. De plus, elle surpasse la technologie DLP sur deux points clés. Comme noté ci-dessus, la projection perpendiculaire empêche la distorsion de la projection oblique fournie par les lentilles dans les systèmes DLP. Deuxièmement, les dispositifs LCD ne se contentent pas de bloquer ou laisser passer la lumière, mais peuvent aussi la filtrer en variant l'intensité lumineuse indépendamment à chaque pixel. Cela permet d'utiliser des processus d'anti-aliasing qui réduisent l'effet d'escalier et permettent des qualités de surface très proches de celles obtenues par SLA.

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Image 7 : Sous-échantillonnage de sous-pixel ou anti-aliasing pour éviter l'effet d'escalier. Source : hackaday.com

Tout cela a fait que sa croissance ces dernières années a non seulement déplacé la technologie DLP mais commence à remplacer la technologie SLA dans des industries comme la dentisterie, où la technologie SLA est un standard.

L'un des principaux inconvénients est le niveau élevé de chauffe produit par les matrices LED utilisées, ce qui signifie que des systèmes de refroidissement efficaces doivent être implémentés pour empêcher la résine de chauffer lors des longues impressions.

Image 8 : Système de refroidissement liquide d'une imprimante Uniz. Source : Uniz.com

C'est la technologie présente dans toutes les imprimantes 3D résine à bas coût et aussi dans les derniers modèles professionnels comme le Uniz Slash.

Image 9 : Imprimante Uniz Slash Plus. Source : Uniz.com

Quelle technologie choisir

Aujourd'hui, le dilemme pourrait se réduire à deux technologies : SLA ou LED-LCD.

Malgré la croissance de la technologie LED-LCD, la technologie SLA est encore majoritaire dans les environnements professionnels. Il y a deux raisons à cela : premièrement, la haute qualité et précision atteintes par SLA avec des imprimantes comme Formlabs sont difficiles à égaler. D'autre part, les nouvelles technologies ont besoin d'une période de transition pour s'imposer dans les entreprises en raison de la nécessité d'amortir les équipements actuels et de la méfiance envers les nouveaux systèmes avec peu d'implémentation dans leur secteur.

Cependant, les nouvelles imprimantes LED-LCD professionnelles, comme la Uniz, peuvent offrir un avantage concurrentiel important en permettant de produire de petites séries avec une qualité similaire au SLA et en une fraction du temps. Par exemple, dans la production de modèles pour le moulage à cire perdue, largement utilisé dans certaines branches de la joaillerie et qui peut entraîner des économies significatives, non seulement en temps et ressources, mais aussi en coûts.

La décision entre l'une ou l'autre doit se baser sur les besoins de l'utilisateur entre précision et capacité de production. Dans de nombreux cas, elles devraient être considérées non comme des technologies rivales, mais comme complémentaires, ayant une équipe dédiée à la production de petites séries et une autre pour des travaux plus délicats et précis.