Différents procédés d'impression 3D

De Impression 3D
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Procédés par photopolymérisation

Les procédés par photopolymérisation utilise des polymères liquides qui se solidifie à la lumière, les photopolymères.

La stéréolithographie

La stéréolithographie est l'une des plus anciennes méthodes d'impression 3D. Le brevet pour cette méthode fut créé par Charles Hull, co-fondateur de 3D Systems Inc. en 1986.

Cette méthode réalise des modèles tridimensionnels par l'utilisation de plastique liquide. Les imprimantes utilisant cette technologies sont équipées d'un rayon laser ultra-violet qui solidifie couche par couche le polymère liquide placé dans un bac. Ainsi, le laser se déplace et solidifie la matière à la surface du bac, créant une première tranche. La plate-forme supportant le bac descend ensuite d'une infime hauteur afin que le laser solidifie la tranche suivante, et ce, jusqu'à l'obtention finale du modèle[1]. Par la suite, la pièce obtenue doit être nettoyé dans un solvant. Il est aussi possible de solidifier la pièce au four ultra-violet, mais il se peut que la pièce se déforme très légèrement.

La stéréolithographie est l'une des technologies les plus avancées sur le marché, mais elle est aussi l'une des plus coûteuse. Les imprimantes utilisant cette technique permettent la fabrication des pièces de grandes qualités et précises (une tolérance par rapport au design initial de l'ordre de 0,005mm peut être obtenue)[2].

Le format adéquat pour ce type d'impression est le STL (Standard Tessellation Language). Le procédé consiste à imprimer, couche par couche, le fichier STL donné.

Vidéo Stéréolithography : https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=yYGycgnYlBM

Le procédé DLP

Créé en 1987 par Larry Hornbeck de Texas Instruments, le procédé DLP ("Digital Light Processing") utilise aussi la photopolymérisation pour solidifier des polymères liquides. À la différence de la stéréolithographie qui utilise un laser, le DPL utilise un projecteur qui permet d'assurer un rendu précis, de 2 à 5 fois plus rapide que la SLA.

La technologie PolyJet

Développée en 1999 par la compagnie Objet, la technologie PolyJet utilise elle aussi la photopolymérisation, mais de façon différente des procédés SLA et DLP.

Après avoir divisé l'objet à imprimé en une multitude de tranches à l'aide d'un logiciel, «l'objet est mis en forme par jets successifs de photopolymères sur une surface[3]». Par la suite, un traitement ultraviolet est appliqué sur la couche afin de durcir le matériau. Cette séquence est répétée à chaque tranches d'impression de l'objet. Le matériau utilisé pour fabriquer les supports est un gel soluble à l'eau, ce qui simplifie énormément la phase de finition. Une variante de ce procédé, le PolyJet Matrix, permet d'imprimer en même temps différents types de matériaux, et ainsi combiné des sections souples et rigides, ou encore transparentes et opaques. Le logiciel de la technologie, Objet Studio, rend possible le contrôle des fichiers STL qui combine plusieurs matériaux[4].

L'utilisateurs peut aussi, grâce à cette technologie, créer ses propres matériaux composites à l'aide des Digitals Materials. Ainsi, dans des besoins spécifiques, il est possible de créer des prototypes qui calques les propriétés des designs finaux[5].

Procédé CLIP

La technologie développée par l'entreprise Carbon (CLIP) est un processus d'impression relativement différent de celles de types additives classiques. En effet, elle se base sur un processus chimique employant la lumière et l'oxygène pour éliminer les étapes mécaniques et les couches. Cette technologie fonctionne en projetant de la lumière à travers une optique située dans le fond d'un réservoir de résine durcissable par exposition aux rayons UV. Il est possible de contrôler un flux d'oxygène passant au travers de cette optique, créant ainsi un pochoir dynamique en fonction de l'avancement de la fabrication de l'objet. Cette méthode d'impression inédite présente de nombreux avantages. Elle permet d'employer notamment de très nombreux polymères, dont des élastomères, et la structure de l'objet modélisé est bien plus solide et consistante (bien plus comparable à l'injection). Par ailleurs, en fonction des différents objets à réaliser, la technologie CLIP peut se montrer entre 25 et 100 fois plus rapide[6] !

Procédés par liage de poudre

Ce type de procédés utilise différents types de poudre comme matériau de base. Il est possible avec les procédés par liage de poudre de créer des objets dans une grande variétés de matériaux, dont le métal.

Le frittage laser

Il existe deux technologies dans les procédés de frittage laser, soit le SLS (Selective Laser Sintering) et le DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Dans les deux cas, un puissant laser permet de fusionner de fines particules de poudre. Après le passage de ce laser qui fusionne des tranches de la pièce à imprimer, un rouleau dépose une nouvelle couche de poudre. Par le suite, le laser passe à nouveau afin de solidifier une nouvelle tranche de la pièce. Ce cycle est répété jusqu'à ce que le modèle soit compléter. La base du frittage laser n'est donc pas liquide comme le SLA, mais poudreux[7].

Le procédé SLS

Le procédé SLS a été créé par la compagnie EOS de l'Allemagne. Dans cette technologie, le bac de poudre est préchauffé afin de maintenir la matière juste au dessous de son point de fusion. Par la suite, un rouleau vient déposer une couche de 0,1 mm d'épaisseur sur le plateau d'impression. C'est à ce moment que le laser passe afin de solidifier la tranche de poudre. À la fin du procédé, le pièce doit être nettoyée afin d'éliminer toute les particules qui n'ont pas été fusionnées.

Le matériau le plus courant en frittage SLS est le polyamide, mais il est aussi possible de fusionner d'autres plastiques, de la céramique ou du verre. Il est à noter que la plupart des imprimantes utilises des mélanges de poudres mêlant deux composants. Vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=4I_18xp7LT0 https://www.youtube.com/watch?v=wD9-QEo-qDk

Le procédé DMLS

Si le matériau de base qui sert à imprimer le modèle est du métal, on parle alors de DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Il est possible avec ce procédé de solidifier des couches d'une épaisseur de 20µm.

Les matériaux utilisables avec ce procédés sont l'acier inoxydable, l'acier outil, le cobalt-chrome, différent Inconel et certains types de titane. Il est important cependant de réduire les métaux à une poudre homogène[8].

Le procédé E-Beam

L'Electron Beam Melting (EBM) est une technologie d'impression 3D caractérisé par la fusion de poudre de métal. Cette technique a notamment la spécificité d'employer un faisceau d'électrons (au lieu d'un laser) afin de faire fondre la poudre de métal couche par couche.

En ce sens, cette technologie chauffe la poudre de métal à une température entre 700° et 1000°C, ce qui permet la production de particules de métal concise ainsi que la conservation des caractéristiques du matériau employé. À noter, que la production de pièce peut atteindre une compacité de 100% et donc conserver adéquatement les fonctionnalités du matériau. Or, le procédé electron beam melting est conçu sous vide et par le fait même permet de limiter l'oxydation.

Divers matériaux sont utilisables par cette technologie : alliage de titane(excellent choix pour le marché d'implants médicaux), le cuivre, le niobium, l'AL 2024, le verre métallique massif, l'acier inoxydable et l'aluminide de titanium.

Finalement, les affectations associés aux procédés d'impression 3D métal sont nombreux. En effet, il est entre autres question de l'aérospatial et la défense, l'industrie médicale ou encore la création de moules[9].

Le procédé 3DP

Le 3DP (Three-Dimensional Printing) a été inventé au MIT. C'est la société Z Corporation (rachetée en 2012 par 3D Systems) qui détient la licence d'utilisation de ce procédé, et elle en équipe sa gamme d'imprimantes ZPrinter. Le 3DP est le seul procédé au monde à pouvoir imprimer simultanément en plusieurs centaines de couleurs.

Cette technologie fonctionne par «par abaissement successifs d'une plate-forme sur laquelle un rouleau étale une très fine couche de poudre. Une tête d'impression dépose ensuite de minuscules gouttes de glue qui viennent encoller le matériau en poudre[10]». La coloration passe par la colle qui peut être teintée. Comme le procédé SLA, la plate-forme est abaissée entre chaque tranche d'encollage de la poudre. Lorsque la pièce est complétée, un traitement de finition doit être réalisé: la pièce imprimée est chaffée, et on retire l'excédant de poudre.

De nombreux matériaux peuvent être coller avec ce procédé, tel que des céramiques, des métaux, des polymères ou encore des composites. C'est le premier procédé qui a permis d'imprimer des céramiques. De plus, des pièces en matériaux souples peuvent être imprimés. Il est à noter que bien que son coup de revient soit moins élevé que le procédé SLA, la qualité d'impression est moindre, les surfaces sont plus rugueuses et les pièces réalisées sont moins solides[11].

Procédés par dépôt de matière fondue

Le procédé "FDM"

Le procédé FDM (Fused Deposition Modeling) a été développé par la société Stratasys à la fin des années 1980. Il est le plus ancien procédé après la stéréolithographie, et a été popularisé par l'arrivée des imprimantes personnelles comme le projet RepRap ou encore les imprimantes MakerBot. Ce procédé utilise le dépôt de matière (plastiques ou métaux) successif sous forme d'un mince filament.

L'impression 3D démarre par le préchauffage de la machine (autour de 200°C), nécessaire pour la fusion de la matière. Une fois la machine chauffée, un fil de matière, de l’ordre de 0.1 millimètre de diamètre, est alors extrudé sur une plateforme à travers une buse se déplaçant sur trois axes, à la manière d'une fraiseuse CNC. La plateforme descend d’un niveau à chaque nouvelle couche appliquée, jusqu’à la fin de l'impression de l’objet. Afin d'éviter la déformation de la pièce imprimée, une multitude de supports viennent supporter la pièce pendant l'impression. Ces supports sont enlevés dans une phase de finition lorsque l'objet est complété[12].

Cette technologie est compatible avec un large choix de polymères thermoplastiques (ABS, Polycarbonate, PPSF (polyphenylsulfone), et ULTEM), ce qui se traduit par une grande gamme de couleurs (98% des couleurs de Photoshop sont disponibles), d’excellentes propriétés mécaniques et de bio-compatibilités. En plus, il est aussi possible d’imprimer avec des filaments de bois et de pierre (LayWood et LayBrick respectivement), de la céramique et des matières alimentaires en faisant des adaptations au niveau de la tête d’ extrusion. En conséquence, le dépôt de matière fondue est utilisé dans de nombreux domaines: l’aérospatiale, l’automobile, l’architecture, le médical, la décoration, l’art et la cuisine, autant pour le prototypage rapide que pour la fabrication de pièces fonctionnelles.

Il est à noter que le terme Fused Deposition Modeling et son abréviation FDM sont des marques déposées de l'entreprises Stratasys. L'équipe RepRap utilise donc le terme Fused Filament Fabrication (FFF) qui est sous licence GNU/GPL.

http://www.3dnatives.com/depot-de-matiere-fondue-fdm/ Vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=WHO6G67GJbM

Jet de liant

Ce procédé consiste à déposer sélectivement un polymère liquide sur un lit de poudre. Le polymère infiltre la surface de la poudre, résultant une impression d'agglomération de poudre.

Lamination de feuilles

Déposition d'énergie directe

Le procédé de déposition d'énergie directe utilisant un fil ou de la poudre métallique est nourri directement par un faisceau énergétique. Utilisant une machinerie multi-axes, le procédé consiste essentiellement à une machine de soudage en trois dimensions.

Autre à classer

Fusion par faisceau électronique Vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=A4lm_CgISnA


Fabrication d'objet stratifié Vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=mwVgNqVnrew

Bibliographie

Gao et al. (2015), The status, challenges, and future of additive manufacturing in engineering, Computer-Aided Design, Elsevier, VOL.69, p. 65-89
  1. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  2. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  3. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  4. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  5. Stratsys. (2016). Advanced composite materials used in 3D Printing | Stratasys. Récupéré de http://www.stratasys.com/materials/polyjet/digital-materials
  6. Impression 3D CLIP, [1], sur Impression 3D CLIP. Consulté le 15 février 2016.
  7. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  8. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  9. https://www.sculpteo.com/fr/glossaire/ebm-definition-fr/
  10. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  11. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  12. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.