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Le frittage sélectif par laser (SLS) est une technologie de fabrication additive qui offre de nombreux avantages par rapport aux techniques de fabrication traditionnelles, tels que la possibilité de créer des formes complexes avec facilité, une réduction des déchets et des temps de production plus rapides. Cette technologie a trouvé des applications dans des industries telles que l’aérospatiale, l’automobile et les soins de santé, où la précision et la personnalisation sont essentielles.
En quoi consiste l’impression 3D?
Le frittage sélectif par laser appartient à la catégorie de la fusion sur lit de poudre (PBF). L’impression SLS consiste à utiliser un laser haute puissance pour fritter de petites particules de poudre de polymère en un produit basé sur un modèle CAO 3D. Sa haute résolution, sa productivité élevée et la facilité de disponibilité des matériaux font de la technologie SLS l’outil idéal pour une gamme d’applications allant du prototypage rapide à l’utilisation finale de pièces aux géométries complexes.
Comment fonctionne l’impression 3D SLS ?
Le frittage sélectif par laser consiste à fusionner des couches de poudre de matériau (généralement d’environ 0,1 mm d’épaisseur), réparties de manière homogène sur la surface de construction à l’aide d’un rouleau niveleur tournant en sens inverse. La fabrication de la pièce se déroule à l’intérieur d’une enceinte hermétique remplie d’azote ou d’un autre gaz inerte, afin de minimiser l’oxydation et la détérioration de la poudre.
Étape 1 – Préchauffage de la poudre
La poudre, disposée sur la plateforme d’impression, est d’abord préchauffée, puis maintenue juste sous la température de fusion (ou la température de transition vitreuse) du matériau qui la compose. Ce chauffage est effectué grâce à un appareillage infra-rouge situé juste au-dessus de la plateforme.
Étape 2 – Impression 3D SLS de la pièce à haute température
- Une fois la fine couche de matière convenablement disposée et préchauffée, un faisceau concentré de laser au CO2 est dirigé sur le lit de matière et contrôlé au moyen de galvanomètres, de façon à opérer une fusion thermique du matériau pour façonner, couche après couche, la section transversale de la pièce, selon le modèle CAO d’origine. L’épaisseur de la couche de matière est définie à l’avance, dans le logiciel de découpage en tranches.
- La poudre restante d’une couche demeure telle qu’elle et sert de support à la couche suivante, ce qui permet de se passer de structures de maintien.
- Une fois la couche actuelle terminée, la plateforme d’impression est abaissée d’une hauteur correspondant à l’épaisseur de couche, avant d’en disposer une nouvelle qui sera étalée grâce au rouleau de nivellement.
- Le laser au CO2 poursuit alors la construction de la section transversale. Le processus se poursuit jusqu’à ce que l’intégralité de la pièce soit achevée.
Étape 3 – Refroidissement et post-usinage de la pièce 3D SLS
Finalement, la pièce achevée est retirée de la plateforme et la poudre restante est évacuée. Des opérations de finition additionnelles sont alors effectuées, le cas échéant (teinture, coloration, finition de qualité alimentaire, grenaillage, etc…).
Matériaux pour l’impression 3D SLS
La technologie de frittage sélectif par laser peut employer une vaste gamme de poudres thermoplastiques. Parmi les poudres thermoplastiques fréquemment employées dans le frittage sélectif par laser, on retrouve le polyamide (nylon), le polypropylène et les élastomères thermoplastiques (TPE). Les matériaux SLS peuvent être classés en deux catégories principales :
- Les matériaux rigides : PA 12 (ordinaire, rempli de verre, ignifuge, qualité alimentaire, rempli d’aluminium), PA 11 (ordinaire, qualité alimentaire) et polypropylène (PP)
- Les matériaux flexibles : Flex TPU
Le nylon PA12 est l’un des matériaux d’impression 3D les plus populaires : une matière plastique disposant de bonnes propriétés mécaniques (solidité, résistance à la traction, résistance aux impacts) et qui est aujourd’hui une référence pour la technologie SLS.
Avantages de la technologie SLS en impression 3D
La technologie SLS est l’une des méthodes d’impression 3D les plus fiables, précises et rapides qui soient, aussi bien pour le prototypage, la production de lots de taille réduite, mais aussi les applications de qualité industrielle. Un certain nombre d’avantages rend en effet cette technologie unique :
L’impression SLS ne nécessite pas de structures de maintien
Du fait de son appartenance à la catégorie des technologies PBF, les impressions SLS ne nécessitent aucune structure de maintien : au cours de l’impression, les espaces vides sont occupés par la poudre inutilisée, ce qui rend les pièces imprimées capables de se supporter elles-mêmes.
Par conséquent, les modèles comportant des espaces creux, des parties en surplomb ou des structures très fines qui, habituellement, réclament du support, ne sont plus un problème dans le cadre de l’impression SLS. Ceci permet d’offrir une grande liberté de conception.
Les pièces comportant des composants internes complexes ou des canaux peuvent être construites sans compromettre le modèle, car il n’y a pas à se soucier de leur fournir un maintien quelconque. La technologie SLS peut s’avérer être la meilleure solution d’impression 3D pour les pièces complexes, que l’on peut alors imprimer d’un seul tenant, supprimant ainsi les problèmes que l’on peut avoir avec d’autres technologies (ex. : FDM) où une pièce équivalente devra être imprimée en plusieurs parties et assemblée après coup.
La technologie SLS permet une impression 3D rapide
La technologie d’impression 3D SLS est l’une des plus rapides sur le marché. Les poudres polymères utilisées ne demandent qu’une fraction de seconde d’exposition au laser pour être frittées. En réalité, la vitesse d’impression doit être quantifiée par rapport à la résolution souhaitée.
À titre d’exemple, une imprimante FDM peut aussi imprimer très vite, du moment que l’on paramètre des couches plus épaisses et que l’on soit prêt à transiger sur la résolution. Dans le cadre de la technologie SLS, il n’est pas nécessaire de faire un tel compromis pour bénéficier d’une grande vitesse d’exécution.
Les pièces imprimées via SLS supportent très bien la teinture et la coloration
Les pièces imprimées via la technologie SLS possèdent une surface poreuse, particulièrement adaptée pour les opérations de coloration et de teinture, la couleur adhérant plus efficacement sur des surfaces de ce genre. Ainsi, une teinture classique au bain est tout à fait suffisante.
Les impressions SLS bénéficient d’excellentes propriétés mécaniques
Dans les impressions 3D SLS, les couches imprimées adhèrent de façon beaucoup plus prononcée que dans d’autres technologies, comme l’impression FDM. Par conséquent, les impressions SLS se comportent comme étant isotropes : les propriétés mécaniques, telles que la résistance à la traction, la dureté et la capacité d’élongation sont les mêmes, quel que soit l’axe considéré (x, y ou z).
Du fait de leurs excellentes propriétés mécaniques, les pièces imprimées via SLS sont souvent utilisées comme alternatives aux pièces plastiques moulées par injection. Elles bénéficient également d’une bonne résistance aux agents chimiques (ex. : Nylon PA 12).
Inconvénients de la technologie SLS en impression 3D
Malgré ses avantages, la technologie SLS présente également un petit nombre d’inconvénients :
Les pièces imprimées via SLS sont poreuses et possèdent une structure friable
Bien que les impressions SLS aient une bonne résistance à la traction, elles sont beaucoup moins flexibles et cèdent plus facilement lorsque soumises à des déformations répétées. Cette même porosité, qui les rend si aptes aux opérations de coloration, compromet leur intégrité structurelle. C’est pour cette raison que les impressions SLS sont généralement utilisées en tant que prototypes et ne sont pas recommandées comme pièces fonctionnelles.
Les impressions SLS sont sujettes à la contraction
La technologie d’impression 3D SLS fonctionne en exposant le matériau d’impression à de hautes températures, afin de mener à bien l’opération de frittage. Au cours de la phase de refroidissement, la pièce subit, toutefois, une contraction thermique qui vient directement affecter sa précision dimensionnelle : le taux de contraction peut aller jusqu’à 3%, voire 4%, ce qui est objectivement plus élevé que dans les technologies alternatives.
Il est crucial de prendre cet état de fait en ligne de compte dès la phase de conception, afin d’ajuster le volume du modèle d’origine en conséquence. Le stress induit par la contraction peut aussi entraîner des déformations et des torsions au niveau des arêtes et des angles aigus.
Un taux de déchet plus élevé en SLS, en raison de la matière pulvérulente utilisée
La poudre disposée dans l’enceinte d’impression doit être préchauffée, ceci afin de pouvoir entrer en fusion avec une exposition minimale au laser. La température élevée du frittage peut affecter la poudre autour de l’ouvrage imprimé, voire provoquer des fusions intempestives, ce qui va altérer la qualité de la matière première.
Chaque impression laissant derrière elle une portion de poudre non utilisée, il est inévitable de se retrouver, par accumulation, avec une quantité non négligeable de matière dont il faut se débarrasser. Considérant ceci uniquement, l’impression 3D SLS génère déjà plus de déchets que l’impression 3D MJF, qui, elle, ne préchauffe pas la matière pulvérulente utilisée. La poudre de nylon en suspension dans l’air présente également un danger pour les voies respiratoires, danger contre lequel il est nécessaire de se prémunir.
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