Jet de liant et jet de matériaux :principales différences dans les technologies d'impression 3D
Le jet de liant et le jet de matériaux sont deux technologies d’impression 3D liées qui, en apparence, présentent des similitudes. A y regarder de plus près, les différences sont bien plus grandes. Le jet de liant est un procédé sur lit de poudre adaptable aux matériaux. Les tranches du modèle sont liées et fixées à la tranche ci-dessous en projetant une large gamme de composés adhésifs par des méthodes à jet de bulles ou à jet d'encre, pour imprimer/coller une image de la tranche.
Le jet de matériaux utilise également la technologie du jet à bulles, mais imprime les tranches du modèle directement sur une table de construction. On utilise généralement des résines acryliques modifiées ou des époxy. Le jet de liant permet une production rapide et rentable de pièces à résolution relativement faible dans une large gamme de matériaux, tandis que le jet de matériau offre une résolution plus élevée adaptée aux prototypes et modèles en plastique détaillés. La sélection de la technologie applicable dépend des exigences spécifiques du projet, notamment la résolution, les matériaux et le volume de production.
Cet article discutera des différences entre le jet de liant et le jet de matériaux en termes de processus, d'avantages et d'inconvénients, de sélection de matériaux, de types, etc.
Qu'est-ce que le jet de liant ?
Le jet de liant est un procédé de fabrication additive dans lequel un matériau en poudre, généralement du métal, du sable, du plâtre ou de la céramique, est déposé couche par couche. Un liant liquide, généralement un polymère, est déposé sélectivement sur le lit de poudre pour faire adhérer les particules ensemble. Ce processus crée chaque tranche du modèle 3D en solidifiant le liant au contact ou via une étape de post-durcissement.
Le liant est appliqué à l'aide de têtes de type jet d'encre, telles que des buses piézoélectriques ou thermiques (jet à bulles). Une fois déposé, le liant provoque la liaison des particules de cette couche entre elles et avec la couche précédemment imprimée. La poudre non liée reste libre, servant de structure de support naturelle pendant la construction. Sur les bords de la zone imprimée, l'action capillaire fait que le liant s'infiltre légèrement dans la poudre environnante, ce qui peut réduire la résolution et la définition des bords, en particulier dans les applications de poudre fine. Cette zone de fond perdu est l’une des principales limitations pour obtenir des fonctionnalités haute résolution.
Certains systèmes de jet de liant intègrent une étape d'impression supplémentaire pour déposer des pigments en couleur, permettant la création de prototypes détaillés et multicolores. Ces couleurs sont incrustées dans la pièce et peuvent résister aux étapes de post-traitement telles que l'infiltration, le ponçage ou le scellement.
Pour en savoir plus, consultez notre guide sur le Binder Jetting.
Une illustration du jet de liant.
Quels sont les avantages et les inconvénients de l'impression 3D par jet de liant ?
Le jet de liant présente des avantages et des inconvénients, ce qui fait souvent de sa sélection pour un projet une décision claire. Les avantages de cette approche sont :
- Des délais de construction plus rapides que de nombreux autres processus d'impression 3D, en particulier pour les pièces volumineuses ou imprimées par lots.
- Économique pour la production en vrac, car les matières premières (poudres et liants) sont généralement peu coûteuses et le processus ne nécessite aucune structure de support au-delà du lit de poudre environnant.
- Faible gaspillage de matériaux et post-traitement simple, la poudre inutilisée étant facilement récupérée et réutilisée.
- Large compatibilité avec les matériaux, y compris les métaux (par exemple, l'acier inoxydable, le bronze, l'aluminium), la céramique, le sable et le plâtre.
- Capable de produire des géométries complexes et des caractéristiques internes qu'il serait difficile, voire impossible, de fabriquer à l'aide de méthodes traditionnelles.
- De grands volumes de construction sont réalisables, grâce au matériel relativement simple et à la configuration évolutive du lit de poudre.
Les inconvénients largement signalés du jet de liant sont :
- Les pièces produites par projection de liant ont généralement une texture de surface granuleuse ou poreuse, car elles sont formées à partir de poudre liée. Alors que les systèmes précédents utilisaient des poudres dont la taille des particules était d'environ 100 µm, les systèmes modernes ont réduit cette taille à environ 10 µm. Néanmoins, la douceur de la surface reste inférieure à celle d'autres méthodes d'impression comme le SLA ou le jet de matériau.
- Les pièces vertes sont mécaniquement faibles et ne conviennent pas aux applications porteuses. Le frittage peut améliorer la résistance, mais le processus introduit un retrait et une distorsion, affectant la précision dimensionnelle. Même avec le frittage, la précision dimensionnelle peut être difficile à maintenir en raison du retrait et de la distorsion thermique.
- Les pièces issues de la projection de liant présentent souvent une porosité interne importante. Des étapes supplémentaires telles que l'infiltration de métal, le pressage isostatique à chaud (HIP) ou le frittage sont nécessaires pour obtenir une résistance ou une densité adéquate, ce qui ajoute du coût et de la complexité.
- La résolution est modérée ; Le saignement du liant sur les bords d'impression réduit les détails par rapport aux technologies à plus haute résolution comme le SLA ou le jet de matériau.
- Les propriétés des matériaux sont généralement inférieures à celles obtenues avec des méthodes telles que SLS, DMLS ou FDM avec des filaments renforcés.
- Des problèmes de sécurité existent lorsque l'on travaille avec des poudres fines. Les poussières de métal et de céramique présentent des risques d'inhalation et de contamination, nécessitant une ventilation adéquate et un équipement de protection individuelle (EPI).
Quels sont les exemples d'impression 3D par jet de liant ?
L'une des applications les plus courantes de l'impression par jet de liant est la fabrication d'accessoires photographiques, tels que des emballages de produits et des figurines, nécessaires aux applications sans stress. De plus en plus, le jet de liant est signalé comme un moyen pratique pour produire rapidement des composants métalliques de précision relativement faible et de finition de surface grossière. Bien que ces pièces soient limitées dans leur application, lorsque les propriétés sont appropriées, elles peuvent très bien fonctionner et avec une production relativement rapide et un faible coût.
Pièce à jet de liant réalisée en acier inoxydable par Xometry
Qu'est-ce que le jet de matériaux ?
Le jet de matériaux est une technologie d'impression 3D qui utilise des méthodes d'impression à jet d'encre ou à jet de bulles pour fournir des matériaux de construction et de support en photopolymère liquide ou en cire directement sur une plate-forme de construction. Le matériau imprimé est partiellement ou complètement durci au cours du processus d'impression avant que la table ne s'abaisse et que la tranche suivante du modèle ne soit appliquée.
Le processus d'impression applique généralement deux (ou plusieurs) matériaux apparentés dans la construction des couches. Les matériaux de construction sont généralement des polymères durcis à la chaleur ou à la lumière UV qui peuvent être rigides, semi-flexibles ou pseudo-élastomères. Certaines variantes du procédé utilisent de la cire comme matériau de construction, permettant la production directe de pièces de fonderie de la plus haute qualité sans avoir recours à un savoir-faire artisanal qualifié. Le matériel de support est co-imprimé par des têtes d’impression supplémentaires. Ce matériau de support sera soit une version chimiquement soluble, soit une version hydrosoluble du matériau de construction qui se couplera entièrement au modèle mais pourra être retiré ultérieurement. Les systèmes avancés peuvent permettre de mélanger ou d’alterner différents matériaux de construction pendant l’impression. Cela permet une gradation des propriétés, où les caractéristiques mécaniques d'une pièce varient selon la région (par exemple, de souple à rigide) et un changement de matériau, pour modifier le comportement fonctionnel au sein de la même géométrie de pièce.
Pour en savoir plus, consultez notre guide sur le jet de matériaux.
Une illustration du jet de matière.
Quels sont les avantages et les inconvénients de l'impression 3D par jet de matériaux ?
Les avantages du jet de matière sont :
- Il offre une résolution d'impression exceptionnelle, la plus élevée parmi les équipements disponibles dans le commerce. Il est idéal pour imprimer des modèles complexes avec des détails fins et des sections fines.
- Certaines machines de cette classe peuvent imprimer simultanément avec deux matériaux dans des proportions variables de 0 à 100 %. Cela permet la création de propriétés de matériaux variables et personnalisées et, dans une mesure très limitée, certaines options de variation de couleur.
- Il offre une précision dimensionnelle et une répétabilité élevées. Lorsque l'étalonnage de la machine est minutieux et correctement effectué, les pièces imprimées correspondent étroitement à leurs conceptions numériques.
- Le type de machine utilisé pour ce processus est relativement rapide par rapport à d'autres technologies à bonne résolution telles que la stéréolithographie (SLA).
- Les matériaux photopolymères disponibles sont les suivants :rigides (différentes couleurs), flexibles (similaire au caoutchouc de 30 à 90 Shore A), transparents (qualité lentille/fenêtre) et biocompatibles. La famille de matériaux s'agrandit continuellement et leurs propriétés s'améliorent lentement pour se rapprocher de celles des plastiques moulés.
- Les matériaux de support, co-imprimés avec la construction, sont facilement amovibles et préservent l'intégrité des surplombs et des géométries complexes, sans coûts excessifs ni difficultés de nettoyage.
- Contrairement au SLA, le jet de matériau ne nécessite pas de post-durcissement dans des chambres UV, ce qui simplifie les étapes de post-traitement. Les résines sont durcies immédiatement après l'impression, car de puissantes lampes UV les traversent au cours du même processus.
Certains inconvénients incluent :
- Les matériaux photopolymères utilisés sont d'un coût élevé, voire très élevé, et proviennent généralement d'une source unique.
- Elle est limitée aux résines photopolymères exclusives et ne dispose pas du large éventail d'options disponibles dans certaines autres technologies.
- Les volumes de fabrication sont souvent inférieurs à ceux de certaines technologies d'impression 3D.
- La suppression de certains supports complexes peut être un processus manuel délicat et exigeant. Des étapes de post-traitement supplémentaires sont généralement nécessaires pour obtenir une finition cosmétique.
- La maintenance des équipements et les dépenses d'exploitation quotidiennes de base sont des tâches spécialisées qui nécessitent des composants coûteux provenant d'une source unique. Cela augmente considérablement les coûts par impression, et les économies de coûts à cet égard peuvent avoir des conséquences désastreuses.
Quels sont les exemples d'impression 3D par jet de matériaux ?
Voici quelques exemples de pièces imprimées en 3D par jet de matière :
- Modèles précis pour couronnes dentaires, ponts et prothèses dentaires, où la précision et la qualité de la surface sont essentielles.
- Modèles en cire détaillés pour le moulage à modèle perdu, en particulier pour les bijoux et les petits composants métalliques qui nécessitent des détails fins et des surfaces lisses.
- Des prototypes techniques de composants aérospatiaux sont utilisés pour les tests d'ajustement, de forme et aérodynamiques avant la production finale.
- Prototypes d'électronique grand public, notamment des boîtiers d'appareils personnalisés, des boîtiers de composants miniatures et des unités d'évaluation de conception.
- Les dispositifs microfluidiques dotés de canaux internes complexes sont utilisés dans les domaines du diagnostic, des sciences de la vie et de la recherche. Cela inclut des pièces complexes telles que des buses de microdistribution et des microvalves de type Tesla, qui sont coûteuses ou peu pratiques à produire à l'aide de méthodes traditionnelles.
Quel est le meilleur, l'impression 3D par jet de liant ou l'impression 3D par jet de matériaux ?
Le choix entre le jet de liant et le jet de matériau dépend des exigences spécifiques de l'application, telles que la compatibilité des matériaux, la résolution, le coût et les exigences de post-traitement. Le jet de matériau est généralement préféré pour les tâches d'impression haute résolution où la précision, la finition de surface et les détails complexes sont essentiels. Il est idéal pour les applications impliquant des polymères rigides ou caoutchouteux, des pièces transparentes ou des composants biocompatibles. C’est également la méthode dominante pour imprimer directement des pièces en cire utilisées dans le moulage de précision de haute précision. Bien que le jet de liant ait fait des progrès dans le domaine des matériaux flexibles, ces pièces manquent généralement de résistance mécanique et de précision, ce qui les rend impropres à une utilisation fonctionnelle ou structurelle.
Le jet de liant, en revanche, est actuellement la seule méthode pratique pour imprimer en 3D des pièces métalliques sans processus de fusion. Il s'agit également de la technologie de référence pour produire des moules et des noyaux en sable pour les applications de moulage, et la meilleure option pour les impressions en couleur dans des modèles visuels ou de présentation. Bien que le jet de matériau ne puisse pas imprimer le métal, il surpasse le jet de liant en termes de précision des pièces en polymère, de flexibilité du matériau et de reproduction fine des détails.
Différence dans les termes du processus
Le jet de liant est une technologie basée sur la poudre. Il dépose un liant liquide sur des couches de poudre (par exemple du métal, du sable ou de la céramique). Après l'impression, la poudre libre non liée est éliminée et la pièce imprimée peut subir des étapes de post-traitement telles que le frittage ou l'infiltration. Le jet de matériau, en revanche, utilise des têtes d'impression de type jet d'encre pour déposer de minuscules gouttelettes de photopolymère directement sur la plate-forme de fabrication. Ces gouttelettes sont durcies aux UV pendant l'impression et le matériau de support est simultanément déposé à l'aide de buses séparées. Une fois l'impression terminée, les supports sont retirés via des lavages à l'eau ou chimiques.
Différence en termes de types
Il existe plusieurs classifications d'impression 3D par jet de liant :jet de liant mono-matériau, jet de liant multi-matériaux, jet de liant couleur, jet de liant au sable, jet de liant métallique ou céramique, jet de liant polymère et jet de liant hybride.
Dans le jet de liant mono-matériau, une seule poudre est utilisée et le liant est déposé pour créer les couches d’objet et les lier à la couche inférieure. Le jet de liant multi-matériaux utilise plusieurs matériaux en poudre, généralement en couches alternées de métaux, de céramiques et de polymères. La sélection de liants adaptés à chaque matériau en poudre permet d'imprimer des pièces multi-matériaux, composites ou graduées par propriétés.
Le jet de liant couleur comprend l’impression 3D en couleur. Il combine généralement des matériaux de construction en gypse et des liants imprimables avec une impression jet d'encre couleur sur chaque couche, pour des impressions en couleur. Le jet de liant au sable utilise du sable fin comme matériau de construction pour créer des moules et des noyaux en sable pour le moulage du métal. Le jet de liant métallique ou céramique utilise de la poudre de métal ou de céramique comme matériau de construction. Après l'impression, la partie verte est frittée pour rétrécir/fusionner les particules métalliques jusqu'à atteindre leur pleine densité et brûler le liant. Le jet de liant polymère est spécifique à la superposition de poudres de polymère, utilisant souvent un agent liant le solvant qui soude les particules.
Dans certains cas, le dispositif de projection de liant peut fonctionner dans plusieurs modes répertoriés. Il peut également être intégré à d’autres technologies d’impression 3D pour permettre une sélectivité régionale dans les processus appropriés appliqués à une construction. C'est ce qu'on appelle le jet de liant hybride.
Il existe également plusieurs classifications de technologies de projection de matériaux, différenciées par méthode et matériaux. Le jet de matériau polymère est la forme la plus courante et la plus ancienne de jet de matériau, déposant des encres polymères sous forme liquide ou en gel. Ces polymères sont généralement durcis aux UV sur place pour une impression rapide et finie avec un post-traitement limité. Le jet multi-matériaux utilise le dépôt simultané de plusieurs matériaux (généralement deux), tels que des types rigides et élastomères, pour créer des propriétés graduées, des couleurs graduées et des changements soudains de matériaux dans les pièces.
Le jet couleur est une catégorie spécialisée qui fournit des composants couleur et haute résolution pour la production de figurines, de modèles architecturaux et d'œuvres d'art. Le jet de matériaux céramiques ou métalliques dépose des matériaux à base de céramique ou métalliques dans une suspension polymère, pour créer des pièces en céramique complexes qui peuvent être frittées pour atteindre la densité céramique finale. Le jet de matériau microfluidique est utilisé pour créer des dispositifs microfluidiques avec des géométries de canaux précises pour des applications dans la recherche, le diagnostic et les dispositifs de logique fluide. Le jet de matériau de cire est utilisé dans les bijoux pour la création de modèles en moulage à la cire perdue. Les modèles en cire sont directement imprimés en tant que maîtres sacrificiels pour la production de pièces métalliques.
Différence en termes de matériaux utilisés
Le jet de matériaux s'intègre directement dans des modèles polymères de matériaux rigides, élastomères et cireux. Le jet de liant, quant à lui, utilise généralement des agents de liaison polymères pour adhérer à divers matériaux en poudre allant des métaux à la céramique et au sable.
Différence dans les conditions d'application
Le jet de matériaux convient aux prototypes d'évaluation fonctionnelle et de conception qui peuvent être utilisés pour évaluer des assemblages, tester les performances des mécanismes et, si nécessaire, remplacer les pièces moulées. Les prototypes en cire peuvent être directement utilisés pour produire des moulages de précision, imprimés avec toutes les pièces de carottes et de canaux pré-attachées et intégrées en une seule étape.
D'autre part, le jet de liant permet de tester visuellement des composants d'une précision relativement faible et de propriétés mécaniques médiocres. Ceux-ci sont adaptés à l'évaluation visuelle de la forme et de l'esthétique et peuvent produire directement des exemples d'emballages et des prototypes critiques en termes de couleur pour les accessoires photographiques, etc.
Différence en termes de caractéristiques de la machine
Les machines à jet de liant manipulent des poudres, déposées en couches qui sont essuyées et, dans certains cas, emballées au rouleau à hauteur. Ces machines ont une tâche de manutention difficile dans cet aspect du processus, ce qui les rend relativement complexes et peut créer des problèmes de fiabilité si les poudres sont abrasives et que l'hygiène de la machine est mauvaise. De plus, le composant à jet de la machine qui délivre l'agent de liaison est une tête d'impression unique relativement simple qui nécessite peu de personnalisation de la tâche et offre simplicité et fiabilité.
Le jet de matériaux utilise un système de jet de principe similaire pour livrer les polymères de construction directement à la plate-forme de construction. Ces têtes sont hautement personnalisées, ce qui crée d'importants problèmes de configuration et de maintenance qui entraînent des efforts continus en termes d'OPEX. Les machines à jet de liant sont fiables et nécessitent peu d’entretien. Les machines à jet de matériaux sont des instruments de précision délicats qui nécessitent une maintenance et une configuration quotidiennes, hebdomadaires et intrusives régulières et qualifiées.
Différence en termes de logiciels de CAO
Les technologies de projection de matériaux et de projection de liant utilisent des formats de fichiers CAO 3D standard, généralement exportés au format .STL. fichiers, qui sont ensuite découpés à l'aide d'un logiciel de découpage propriétaire ou tiers pour préparer les données à l'impression. Pour le jet de matière, le .STL la résolution doit être réglée sur un niveau fin et la hauteur de couche doit correspondre à la capacité de la machine à exploiter pleinement sa haute précision. Une attention particulière portée au pavage et aux détails de la surface est essentielle pour maintenir la fidélité des caractéristiques complexes pendant l'impression.
Pour le jet de liant, en particulier dans l'impression couleur, il existe une différence clé :le .STL Le format de fichier ne prend pas automatiquement en charge les données de couleur. Dans ces cas, des extensions de fichiers propriétaires supplémentaires (telles que .WRL, .3MF ou des formats à couleur augmentée) sont utilisées, ou les informations de couleur sont intégrées séparément et combinées avec la géométrie lors du découpage. Cette étape est nécessaire pour attribuer des textures précises et un mappage de couleurs à chaque couche d'impression.
Différence en termes de coût
Les machines à jet de liant coûtent généralement entre 30 000 et 200 000 dollars, augmentant à mesure que des capacités et un volume de fabrication supérieurs sont requis. Les machines à jet de matériaux, en revanche, commencent à environ 20 000 $ pour une machine de bureau avec une résolution modérée et une vitesse de construction limitée. Les prix s'élèvent à 750 000 $ pour les machines les plus avancées et les plus précises, capables d'imprimer sur plusieurs matériaux. Ceux-ci nécessitent une main-d'œuvre d'exploitation et de maintenance hautement qualifiée, ainsi que quelques équipements auxiliaires limités.
Différence en termes de qualité
La qualité est un terme sujet à interprétation. Les différences de qualité entre les technologies peuvent être cartographiées en fonction de la fonction.
Le jet de matériaux offre des constructions à plus haute résolution que le jet de liant. Si la précision et l’exactitude sont des références de qualité, le différentiel peut être d’un facteur 3 à 5 en faveur du jet de matière. Si une impression sur métal ou sur sable est requise, le jet de matériau ne peut pas être utilisé et le jet de liant est le choix évident en matière de qualité. Si une impression en couleur est nécessaire pour le prototype, le jet de matériau ne peut pas fournir cela, contrairement à certains types d'équipement de jet de liant. Si des pièces fonctionnelles et des qualités de matériaux sont nécessaires pour les pièces non métalliques, le jet de matériaux offre une qualité nettement supérieure au jet de liant.
Différence en termes de précision
La précision peut être mesurée de différentes manières. Avant de sélectionner ces critères, il est essentiel de considérer les besoins réels du projet.
Les deux processus offrent une bonne répétabilité, de sorte que la cohérence en plusieurs parties convient aux deux types. Le jet de liant offre une résolution inférieure à celle du jet de matériau, de sorte que la finesse des modèles est considérablement différente. La nature imprécise du jet de liant offre une représentation moins précise des petites caractéristiques que celle qui peut être obtenue avec le jet de matériau.
Différence en termes de fabricant
Avec des coûts opérationnels et d’investissement inférieurs, ainsi qu’un coût d’installation et des frais généraux considérablement inférieurs, le jet de liant est adapté à une utilisation en interne. Cependant, il existe une forte tendance à centraliser les services dans les imprimeries sous contrat, car peu d'entreprises ont le volume de besoins qui justifie l'investissement de configuration en interne.
Étonnamment, le jet de matériaux est généralement le choix interne des grandes entreprises dont la demande est suffisante pour justifier les coûts d'investissement et d'exploitation. Cependant, peu d'entreprises peuvent afficher un retour sur investissement sur ce coût. Il existe donc la même tendance vers des fournisseurs de services centralisés capables de prendre en charge un large éventail de capacités et d'attirer suffisamment de demande pour justifier un investissement continu.
Questions fréquemment posées sur le jet de liant et le jet de matériaux
Une imprimante 3D à jet de matériaux est-elle rapide ?
L'épaisseur de la couche de construction ou la résolution de l'axe Z des machines à jet de liant est généralement supérieure à celle des équipements de projection de matériaux, ce qui rend les temps d'impression globaux plus courts pour le jet de liant. De plus, le nettoyage post-impression des projections de liant est minime, ce qui augmente la différence globale de vitesse du processus.
Une imprimante 3D à jet de matériaux peut-elle imprimer des métaux ?
Non, le jet de matière n'offre aucun processus d'impression directe sur métal.
L'imprimante 3D Binder Jetting nécessite-t-elle des supports ?
Le jet de liant est construit dans une masse de poudre de volume de machine stable et complète, donc aucune structure de support séparée n'est requise pour ce type d'impression, réduisant ainsi le travail ultérieur requis pour les travaux d'impression.
Résumé
Cet article présente le jet de liant par rapport au jet de matériau, explique chacun d'eux et discute de leurs principales différences. Pour en savoir plus sur le jet de liant et le jet de matériau, contactez un représentant Xometry.
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Dean McClements
Dean McClements est titulaire d'un baccalauréat spécialisé en génie mécanique et possède plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles importants dans des entreprises de premier plan telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus d'ingénierie et des innovations.
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