Tout savoir sur l’impression 3D à frittage sélectif par laser (SLS)

Parce qu’elle permet de créer des objets solides et fonctionnels, l’impression 3D par frittage sélectif par laser (SLS) gagne en popularité auprès des ingénieurs et des fabricants de plusieurs secteurs.

Le processus de frittage sélectif par laser, les différents matériaux et systèmes disponibles sur le marché, les procédures d’utilisation des imprimantes 3D SLS, les applications et les situations dans lesquelles l’utilisation du SLS est préférable à d’autres méthodes de fabrication additive ou conventionnelle sont tous abordés dans ce guide complet.

Qu’est-ce que l’impression 3D par frittage sélectif par laser (SLS) ?

Le frittage sélectif par laser est une technique de fabrication additive qui consiste à transformer de minuscules polymères en poudre en structures solides, sur la base de modèles tridimensionnels, à l’aide d’un laser de forte puissance.

Depuis des décennies, de nombreux ingénieurs et fabricants utilisent l’impression 3D par SLS. Le prototypage rapide et la production de petites séries personnalisées ou complémentaires ne sont que deux des nombreuses applications qui bénéficient de son faible coût par pièce, de sa productivité élevée et de ses matériaux bien adaptés.

Un nombre croissant d’entreprises sont désormais en mesure d’utiliser des technologies qui n’étaient auparavant accessibles qu’à un petit nombre de secteurs de haute technologie, grâce aux récentes avancées en matière d’équipements, de matériaux et de logiciels qui ont rendu l’impression SLS accessible à un plus grand nombre d’activités.

Le fonctionnement de l’impression 3D SLS

L’impression : Dans la chambre de fabrication, une plate-forme contient une fine couche de poudre. Pour permettre au laser d’augmenter la température de certaines zones du lit de poudre afin de tracer le motif qui donnera naissance à la pièce solidifiée, l’imprimante préchauffe la poudre à une température légèrement inférieure au point de fusion de la matière première. En scannant une section transversale du modèle 3D, le laser chauffe la poudre à une température légèrement inférieure ou exactement égale au point de fusion du matériau. Les particules sont alors fusionnées mécaniquement pour former une partie solide. Il n’est pas nécessaire de prévoir d’autres structures de support, car la pièce est soutenue pendant l’opération par la poudre non fondue. Ensuite, la plate-forme est descendue dans la chambre de fabrication, couche par couche, généralement entre 50 et 200 microns. Cette procédure est poursuivie couche par couche jusqu’à ce que toutes les pièces soient fabriquées.

Refroidissement : Pour garantir que les pièces atteignent leurs qualités mécaniques idéales et ne se déforment pas, la chambre de production doit d’abord refroidir légèrement à l’intérieur de l’enceinte d’impression avant d’être refroidie à l’extérieur de l’imprimante.

Post-traitement : Les pièces terminées doivent être retirées de la chambre de fabrication, séparées les unes des autres et débarrassées de toute poudre excédentaire. Les pièces imprimées peuvent ensuite subir un post-traitement supplémentaire par sablage, et cette poudre peut être recyclée.

Il n’est pas nécessaire de prévoir d’autres structures de soutien, car la pièce est soutenue pendant le processus par la poudre non frittée. C’est pourquoi les pièces présentant des géométries complexes, des caractéristiques internes ou en creux, des contre-dépouilles ou des parois minces sont des candidats parfaits pour le processus SLS.

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Les pièces 3D produites par SLS ont des qualités mécaniques et une résistance exceptionnelles, comparables à celles des pièces moulées par injection.

Aperçu du passé de l’impression 3D par SLS

L’une des premières techniques de fabrication additive a été le frittage sélectif par laser, créé à l’université du Texas à Austin au milieu des années 1980 par les chercheurs Carl Deckard et Joe Beaman. Depuis, elle s’est développée pour pouvoir travailler avec une large gamme de matériaux, tels que différentes poudres composites, des métaux, du verre, des céramiques et des plastiques. Aujourd’hui, les systèmes de fabrication additive qui font fondre de manière sélective des parties d’un lit de poudre à l’aide d’énergie thermique entrent dans la catégorie spéciale des techniques de fusion sur lit de poudre.

Aujourd’hui, les plastiques et les métaux sont les deux matériaux sur lesquels ces procédures sont le plus souvent utilisées. Pour les plastiques, on parle de frittage sélectif par laser (SLS), et pour les métaux, de frittage direct par laser (DMLS) ou de fusion sélective par laser (SLM). Ces techniques de fusion sur lit de poudre n’ont été utilisées que récemment pour produire de petites séries de pièces personnalisées de grande valeur pour l’aérospatiale ou les équipements médicaux, car elles étaient trop coûteuses et trop compliquées à mettre en œuvre pour les plastiques ou les métaux.

Grâce à la disponibilité de systèmes portables et peu coûteux, la technique SLS pour les plastiques a récemment connu un regain d’innovation et est maintenant bien placée pour suivre d’autres technologies d’impression 3D telles que la stéréolithographie (SLA) et le dépôt par fusion (FDM) dans leur conquête du marché.

Types d’imprimantes 3D SLS

La méthode décrite dans la section précédente sert de base à toutes les imprimantes 3D à frittage laser sélectif. Le type de laser, la taille du volume d’impression et la complexité du système sont les points de divergence. Pour le dépôt des couches, la dispersion des poudres et le contrôle de la température, les appareils utilisent plusieurs solutions.

Le frittage laser sophistiqué nécessite une précision extrême et un contrôle strict tout au long du processus. Afin de minimiser les déformations, les contraintes et les distorsions induites par la chaleur, la température de la poudre doit être maintenue à moins de 2 °C pendant les trois étapes de préchauffage, de frittage et de stockage avant le retrait, et ce tout au long du processus d’impression.

Imprimantes 3D SLS conventionnelles pour l’industrie

Le frittage sélectif par laser est l’une des techniques d’impression 3D les plus utilisées par les professionnels depuis de nombreuses années, mais seules les grandes organisations et les bureaux de services pouvaient se permettre de l’utiliser en raison de son coût élevé, de sa complexité et de ses exigences.

Ces appareils nécessitent un conditionnement d’air spécial et une alimentation électrique de qualité industrielle, et même le plus petit d’entre eux peut nécessiter jusqu’à 10 m2 d’espace au sol pour être installé. Leur mise en place nécessite plusieurs jours d’installation et de formation sur site. Le processus complexe et la courbe d’apprentissage prolongée de ces systèmes nécessitent l’intervention d’un spécialiste interne compétent pour leur fonctionnement et leur entretien.

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En raison du coût initial de la machine, qui s’élève à environ 200 000 euros et plus pour des solutions complètes, la technologie SLS industrielle traditionnelle est restée inabordable pour de nombreuses entreprises.

Les premières imprimantes 3D SLS de qualité industrielle destinées aux ateliers ont été la série Fuse.

À l’instar d’autres technologies d’impression 3D telles que FDM ou SLA, des systèmes SLS plus abordables et plus petits commencent tout juste à être disponibles. Toutefois, l’absence de solutions de post-traitement dans ces systèmes entraînait des flux de travail manuels complexes et une qualité médiocre des pièces, ce qui limitait leur application dans les environnements industriels et de production.

Cette situation a été résolue par la Fuse 1 de Formlabs, qui a également inventé une classe d’imprimantes 3D SLS de qualité industrielle, qui sont beaucoup moins chères que les systèmes SLS industriels conventionnels, tout en offrant un flux de travail complet et simplifié et un volume d’installation compact et de haute qualité. Afin de produire des pièces de qualité industrielle et à haut rendement, la nouvelle génération Fuse 1+ 30W complète cette catégorie avec un laser plus puissant, des fonctions de manipulation de poudre améliorées et de nouvelles options de matériaux.
Les imprimantes 3D de la série Fuse consomment moins de chaleur grâce à leur chambre de construction plus petite et à leur laser unique. De plus, comme elles consomment moins d’énergie, elles ne nécessitent pas d’infrastructure spécifique pour fonctionner sur une alimentation électrique normale. L’imprimante Fuse 1+ 30W dispose d’une fonction qui produit une atmosphère de gaz inerte, ce qui réduit les déchets, améliore la finition de surface des composants frittés et maintient la qualité de la poudre non frittée pour un taux de renouvellement réduit (plus de poudre recyclée que de poudre fraîche pour différentes impressions).

Surface Armor, une coque semi-frittée qui maintient une température constante autour des composants pendant l’impression, est une technologie en instance de brevet rendue possible par les imprimantes de la série Fuse. Elle garantit un meilleur polissage de la surface, des qualités mécaniques constantes, une grande fiabilité et un recyclage efficace de la poudre.

Les imprimantes de la série Fuse sont associées à une station de récupération de poudre tout-en-un, la Fuse Sift, qui gère l’extraction des pièces en plus de la récupération, du stockage et du mélange automatiques de la poudre, et la Fuse Blast, une solution de nettoyage et de polissage entièrement automatisée, afin de créer un petit écosystème fermé.

Bien que le volume d’impression des imprimantes 3D SLS d’atelier industriel de la série Fuse soit souvent légèrement inférieur à celui des systèmes SLS conventionnels d’entrée de gamme, elles sont nettement moins coûteuses, nécessitent moins d’espace et simplifient le processus de travail.

Impression 3D SLS : innovations et applications concrètes

L’impression 3D SLS, avec son procédé novateur de frittage sélectif par laser, s’illustre par une polyvalence remarquable dans divers domaines. Par exemple, dans le secteur médical, cette technologie permet la fabrication sur mesure d’implants et de prothèses, offrant ainsi une personnalisation inégalée adaptée aux besoins spécifiques de chaque patient. Dans l’industrie aérospatiale, l’impression 3D SLS joue un rôle crucial dans la production de composants légers et résistants, contribuant à l’optimisation de la performance et à la réduction des coûts de fabrication. Ces cas concrets démontrent le potentiel transformateur de cette technologie, poussant constamment les limites de l’innovation pour répondre aux défis de demain. Comme le souligne le site 3dkfactory.com, il est possible d’en découvrir davantage sur les possibilités offertes par l’impression 3D SLS et son impact sur l’avenir de la fabrication.

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Perspectives et durabilité

La durabilité est un enjeu majeur de l’impression 3D SLS, cette technologie ouvrant la voie à des méthodes de production plus vertes. En réduisant les déchets matériels et en optimisant les processus de fabrication, l’impression 3D promet d’améliorer l’efficacité, mais aussi de contribuer à une économie plus circulaire. L’exploration de nouveaux matériaux recyclés et la recherche sur la réduction de l’énergie nécessaire pour le frittage laser marquent des avancées significatives vers une industrie manufacturière plus responsable. L’évolution continue des logiciels, comme ceux dédiés à l’impression 3D SLS, soutient cette dynamique en rendant les conceptions plus précises et moins gourmandes en ressources. 

Vers une adoption généralisée

La démocratisation de l’impression 3D SLS se profile à l’horizon, portée par les avancées technologiques et la baisse des coûts. Cette accessibilité croissante ouvre de nouvelles perspectives, notamment dans le secteur de la construction et de l’habitat, où l’impression 3D commence à être envisagée pour la fabrication de composants de maisons ou même de structures entières. Cette évolution pourrait transformer radicalement les méthodes de construction, offrant une flexibilité et une efficacité sans précédent, tout en réduisant les impacts environnementaux associés aux processus traditionnels.

L’innovation au service de la personnalisation

La technologie d’impression 3D SLS, par sa capacité à créer des objets complexes et sur mesure, ouvre des horizons inexplorés en termes de personnalisation. Dans le domaine de la mode et du design, par exemple, les créateurs exploitent cette flexibilité pour produire des pièces uniques qui répondent à la demande croissante pour des produits personnalisés. Cette tendance à la personnalisation va de pair avec une augmentation de la valeur ajoutée pour les produits, transformant radicalement la relation entre les marques et leurs clients.

L’impression 3D SLS ne se contente pas de repousser les limites de la créativité : elle permet également une adaptation précise aux besoins et aux désirs individuels, marquant un tournant décisif dans la production de biens de consommation.

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