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Technologies de fabrication additives : un aperçu

Written by Ben Redwood

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Additive Manufacturing Technologies: An Overview

Introduction

Le choix du procédé de fabrication additive le plus approprié pour une application particulière peut être difficile. La très large gamme de technologies et de matériaux d'impression 3D disponibles signifie souvent que plusieurs d'entre eux peuvent être viables, mais chacun offre des variations en termes de précision dimensionnelle, de finition de surface et d'exigences de post-traitement.

L'objectif de cet article est de catégoriser et de résumer les différences entre chacune des technologies de fabrication additive. Nous avons identifié les procédés d'impression 3D les plus communs et les applications et matières les plus courantes pour chacun d'entre eux.

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Photopolymérisation en cuve

La photopolymérisation se produit lorsqu'une résine photopolymère est exposée à la lumière d'une longueur d'onde spécifique, subit une réaction chimique, et devient solide. Plus de détails sur le mécanisme de photopolymérisation peuvent être trouvés ici. Un certain nombre de technologies additives utilisent ce phénomène pour construire une pièce solide, une couche à la fois.

Certaines méthodes d'impression en SLA imprimes de pièces à l'envers lorsqu'elles sont extraites de la résine

Technologies

Stéréolithographie (SLA) La stéréolithographie utilise une plate-forme de construction immergée dans un réservoir translucide rempli de résine photopolymère liquide. Une fois la plate-forme de construction immergée, un laser très précis situé à l'intérieur de la machine cartographie une section transversale (couche) d'un modèle à travers le fond de la cuve, et ainsi solidifie le matériau. Après que la couche fut cartographiée et solidifiée par le laser, la plate-forme se soulève et laisse une nouvelle couche de résine couler sous la pièce. Ce processus est répété couche par couche pour produire une pièce solide. Les pièces sont ensuite généralement durcies à la lumière UV pour améliorer leurs propriétés mécaniques. Cliquez ici pour une introduction complète aux technologies SLA et DLP et ici pour obtenir un guide sur la conception de pièces pour ces procédés.
Digital Light Processing (DLP) Le procédé DLP suit une méthode de production de pièces presque identique à celle du procédé SLA. La principale différence est que le procédé DLP utilise un projecteur de lumière numérique pour projeter une seule image de chaque couche à la fois. Comme le projecteur est un écran numérique, l'image de chaque couche est composée de pixels carrés, ce qui donne une couche formée de petites briques rectangulaires appelées voxels. Le procédé DLP permet d'obtenir des temps d'impression plus rapides que le procédé SLA pour certaines pièces, car chaque couche complète est exposée à la lumière en une seule fois, plutôt que de tracer la section transversale avec un laser. Cliquez ici pour une introduction complète aux technologies SLA et DLP et ici pour obtenir un guide sur la conception de pièces pour ces procédés.
DLP continu (CDLP) Le procédé DLP (CDLP) (également connu sous le nom de « Continuous Liquid Interface Production » ou CLIP) produit des pièces exactement de la même manière que le procédé DLP. Cependant, il repose sur le mouvement continu de la plaque de construction dans la direction Z (vers le haut). Cela permet des temps de fabrication plus rapides car l'imprimante n'est pas obligée de s'arrêter et de séparer la pièce de la plaque de fabrication après la production de chaque couche.

Applications

Les procédés de polymérisation en cuve sont excellents pour produire des pièces avec des détails fins et donnent un fini de surface lisse. Ils sont donc idéaux pour les bijoux, le moulage par injection de petites séries et de nombreuses applications dentaires et médicales. La principale limite de la polymérisation en cuve est la fragilité des pièces produites.

Technologie Fabricants principaux Matières
SLA Formlabs, systèmes 3D, DWS Résines standard, résistantes, flexibles, transparentes et coulables
DLP B9 Creator, MoonRay Résines standard et coulables
CDLP Carbon3D, EnvisionTEC Résines standard, résistantes, flexibles, transparentes et coulables

Explorez les matériaux les plus populaires pour la photopolymérisation en cuve

Voir matériaux SLA/DLP

Fusion sur lit de poudre

Les technologies de fusion sur lit de poudre (Powder Bed Fusion, PBF) produisent une pièce solide à l'aide d'une source thermique qui induit une fusion (frittage ou fusion) entre les particules d'une poudre de plastique ou de métal, une couche à la fois.

La plupart des technologies de fusion sur lit de poudre utilisent des mécanismes pour étaler et lisser de fines couches de poudre au fur et à mesure de la construction d'une pièce, et ainsi la pièce finale est encapsulée dans la poudre une fois la construction terminée.

Les principales variations des technologies de fusion sur lit de poudre proviennent des différentes sources d'énergie (par exemple les lasers ou les faisceaux d'électrons) et des poudres utilisées dans le processus (plastiques ou métaux).

Retrait de la goupille de poudre du processus SLS avec les pièces imprimées toujours enrobées de poudre non frittée

Technologies

Frittage sélectif par laser (SLS) Le procédé SLS produit des pièces plastiques solides en utilisant un laser pour fritter de fines couches de matière en poudre, une couche à la fois. Le processus commence par l'étalement d'une première couche de poudre sur la plate-forme de construction. La section transversale de la pièce est scannée et frittée par le laser, ce qui la solidifie. La plate-forme de construction descend alors d'une épaisseur de couche et une nouvelle couche de poudre est appliquée. Le processus se répète jusqu'à ce qu'une pièce solide soit produite. Le résultat de ce processus est un composant entièrement enrobé dans une poudre non frittée. La pièce est retirée de la poudre, nettoyée, puis elle est prête à être utilisée ou à subir d'autres post-traitements. Cliquez ici pour un guide complet sur la conception de pièces pour le procédé SLS.
Procédés SLM & DMLS La fusion sélective par laser (SLM) et le frittage laser direct de métal (DMLS) produisent tous deux des pièces par une méthode similaire au procédé SLS. La principale différence est que les procédés SLM et DMLS sont utilisés dans la production de pièces métalliques. Le procédé SLM fait fondre complètement la poudre, tandis que le procédé DMLS chauffe la poudre à des températures proches de la température de fusion jusqu'à ce qu'elles se lient chimiquement. Le procédé DMLS ne fonctionne qu'avec des alliages (alliages de nickel, Ti64 etc.) alors que le procédé SLM peut utiliser des métaux à composant unique, comme l'aluminium. Contrairement à au procédé SLS, les procédés SLM et DMLS nécessitent des structures de soutien pour compenser les fortes contraintes résiduelles générées pendant le processus de construction. Cela permet de limiter la probabilité de déformation et de distorsion. Le procédé DMLS est le procédé de fabrication additive métallique le plus répandu, avec la plus grande quantité de machines installée. Un guide complet sur la conception de pièces pour les procédé SLM et DMLS se trouve ici.
Fusion par faisceau d'électrons (EBM) Le procédé EBM utilise un faisceau à haute énergie plutôt qu'un laser pour induire la fusion entre les particules d'une poudre métallique. Un faisceau d'électrons focalisé balaie une fine couche de poudre, provoquant une fusion et une solidification localisées sur une section transversale spécifique. Les systèmes à faisceaux d'électrons produisent moins de contraintes résiduelles dans les pièces, ce qui se traduit par moins de distorsion et moins de besoin d'ancrages et de structures de support. En outre, ce procédé utilise moins d'énergie et peut produire des couches à un rythme plus rapide que les procédés SLM et DMLS, mais la taille minimale des formes, la taille des particules de poudre, l'épaisseur des couches et le fini de surface sont généralement de moindre qualité. Le procédé EBM exige également que les pièces soient produites sous vide et le procédé ne peut être utilisé qu'avec des matériaux conducteurs.
Multi Jet Fusion (MJF) Le procédé Multi Jet Fusion est une combinaison des technologies SLS et dépôt de matière. Un chariot équipé de buses à jet d'encre (similaires aux buses utilisées dans les imprimantes 2D de bureau) passe sur la zone d'impression, déposant un agent de fusion sur une fine couche de poudre plastique. En même temps, un agent de détail qui inhibe le frittage est imprimé près du bord de la pièce. Une source d'énergie IR de haute puissance passe ensuite sur la cuve de construction et fritte les zones où l'agent de fusion a été distribué, tout en laissant le reste de la poudre intacte. Le processus se répète jusqu'à ce que la pièce soit terminée. Un article comparant les capacités du procédé Multi Jet Fusion avec celles du procédé SLS se trouve ici.

Applications

Les technologies de fusion sur lit de poudre à base de polymères offrent une grande liberté de conception, car il n'est pas nécessaire d'avoir un support, ce qui permet de fabriquer des géométries complexes.

Les pièces en métal et en plastique obtenues par fusion sur lit de poudre ont généralement une résistance et une rigidité très élevées et des propriétés mécaniques comparables (ou parfois même meilleures) que la matière d'origine. Il existe un large éventail de méthodes de post-traitement, ce qui signifie que les pièces obtenues par fusion sur lit de poudre peuvent avoir une finition très lisse et, pour cette raison, elles sont souvent utilisées pour fabriquer des produits finis.

Les limites obtenues par fusion sur lit de poudre sont souvent liées à la rugosité de la surface et à la porosité interne des pièces après impression, au retrait ou à la déformation pendant le traitement et aux défis liés à la manipulation et au traitement des poudres.

Technologie Fabricants principaux Matière
SLS EOS, Stratasys Nylon, alumide, nylon renforcé de fibres de carbone, PEEK, TPU
SLM/DMLS EOS, 3D Systems, Sinterit Aluminium, titane, acier inoxydable, alliages de nickel, cobalt-chrome
EBM Arcam Titane, cobalt-chrome
MJF HP Nylon

Explorez les matériaux les plus populaires pour la fusion sur lit de poudre

Voir matériaux en SLS Voir matériaux en DMLS/SLM

Extrusion de matière

Tout comme le dentifrice est pressé hors d'un tube, les technologies d'extrusion de matière extrudent un matériau à travers une buse et sur une plaque de construction. La buse suit un chemin prédéterminé pour construire la pièce couche par couche.

FDM extrude le thermoplastique d'une buse chauffée sur un chemin prédéterminé pour construire des pièces

Technologies

Dépôt de fil fondu (FDM) Le procédé FDM (« Fused Deposition Modeling », parfois aussi appelé « Fused Filament Fabrication » ou FFF) est la technologie d'impression 3D la plus utilisée. Le procédé FDM construit des pièces en utilisant des filaments de matériau thermoplastique solide. Le filament est poussé à travers une buse chauffée où il est fondu. L'imprimante déplace continuellement la buse, déposant le matériau fondu à des endroits précis en suivant un chemin prédéterminé. Lorsque le matériau refroidit, il se solidifie, construisant la pièce couche par couche. Une introduction au procédé FDM se trouve ici et un guide complet avec les conseils de conception pour le procédé FDM se trouve ici.

Applications

L'extrusion de matière est un moyen rapide et économique de produire des prototypes en plastique. Les systèmes FDM industriels peuvent également produire des prototypes fonctionnels à partir de matériaux techniques. Le procédé FDM présente certaines limites en termes de précision dimensionnelle et est très anisotrope.

Technologie Fabricants principaux Matière
FDM Stratasys, Ultimaker, MakerBot, Markforged ABS, PLA, Nylon, PC, Nylon renforcé de fibres, ULTEM, filaments exotiques (chargés de bois, de métal, etc.)

Explorez les matériaux les plus populaires pour l'extrusion de matière

Voir matériaux en FDM

Dépôt de matière

Le dépôt de matière est souvent comparé au procédé de jet d'encre 2D. Les photopolymères, les métaux ou la cire qui durcissent lorsqu'ils sont exposés à la lumière UV ou à des températures élevées peuvent être utilisés pour construire des pièces une couche à la fois. La nature du procédé par dépôt de matière permet l'impression multi-matériaux. Cette capacité est souvent utilisée pour imprimer le support à partir de différents matériaux (solubles) pendant la phase de construction.

Une imprimante à jet de liant illustrant la taille des machines

Technologies

Dépôt de matière Le dépôt de matière distribue un photopolymère à partir de centaines de petites buses dans une tête d'impression pour construire une pièce couche par couche. Cela permet de déposer des matériaux de construction de manière rapide et linéaire par rapport à d'autres technologies de dépôt ponctuel qui suivent un chemin pour compléter la section transversale d'une couche. Lorsque les gouttelettes sont déposées sur la plate-forme de construction, elles sont durcies et solidifiées à l'aide de lumière UV. Les procédés dedépôt de matière nécessitent un support et celui-ci est souvent imprimé simultanément pendant la construction à partir d'un matériau soluble qui est facilement enlevé pendant le post-traitement. Cliquez [ici](/knowledge-base/introduction-material-jetting-3d-printing/) pour une introduction au dépôt de matière.
Dépôt de nanoparticules Le dépôt de nanoparticules (Nano particle jetting, NPJ) utilise un liquide, qui contient des nanoparticules métalliques ou des nanoparticules de support, chargé dans l'imprimante comme une cartouche et dépose des gouttelettes sur le plateau de construction en couches extrêmement fines. La température élevée à l'intérieur de la cuve de fabrication provoque l'évaporation du liquide, laissant derrière lui la pièce métallique.

Drop-On-Demand (DOD) Les imprimantes à dépôt de matière « Drop-On-Demand » possèdent deux jets d'impression : un pour déposer les matériaux de construction (généralement un liquide cireux) et un autre pour le matériau de support soluble. Comme pour les techniques traditionnelles de fabrication additive, les imprimantes DOD suivent un chemin prédéterminé et déposent la matière de manière ponctuelle pour construire la section transversale d'une pièce. Ces machines utilisent également une lame qui effleure la zone de construction après chaque couche pour assurer une surface parfaitement plane avant d'imprimer la couche suivante. La technologie DOD est généralement utilisée pour produire des modèles « en cire » pour des applications de moulage à la cire perdue et de fabrication de moules.

Applications

Le dépôt de matière est idéal pour les prototypes réalistes, car il permet d'obtenir d'excellents détails, une grande précision et un fini de surface lisse. Le dépôt de matière permet à un concepteur d'imprimer en plusieurs couleurs et plusieurs matières en une seule fois. Les principaux inconvénients des technologies de dépôt de matière sont le coût élevé et les propriétés mécaniques fragiles des photopolymères activés par UV.

Technologie Fabricants principaux Matière
Dépôt de matière Stratasys (Polyjet), 3D Systems (MultiJet) Rigide, transparent, multicolore, type caoutchouc, type ABS. Impression multi-matériaux et multi-couleurs disponible
NPJ Xjet Acier inoxydable, céramique
DOD Solidscape Cire

Jet de liant

Le jet de liant est un processus de distribution d'agent liant sur un lit de poudre pour former une pièce, une couche à la fois. Ces couches se lient les unes aux autres pour former un élément solide.

Une pièce en jet de liant après retrait de la poudre d'impression

Technologies

Jet de liant Le jet de liant consiste à déposer un agent adhésif liant sur de fines couches de matériau en poudre. Les matériaux en poudre sont soit à base de céramique (par exemple le verre ou le gypse), soit de métal (par exemple l'acier inoxydable). La tête d'impression se déplace sur la plate-forme de construction en déposant des gouttelettes de liant, imprimant chaque couche de la même manière que les imprimantes 2D impriment l'encre sur le papier. Lorsqu'une couche est terminée, le lit de poudre se déplace vers le bas et une nouvelle couche de poudre est répandue sur la zone de construction. Le processus se répète jusqu'à ce que toutes les pièces soient terminées. Après impression, les pièces sont dans un état vert et nécessitent un post-traitement supplémentaire avant d'être prêtes à l'emploi. Souvent, un produit d'infiltration est ajouté pour améliorer les propriétés mécaniques des pièces. Il s'agit en général d'un adhésif cyanoacrylate (dans le cas de la céramique) ou de bronze (dans le cas des métaux).

Applications

Le jet de liant à base de céramique convient parfaitement aux applications qui mettent en valeur l'esthétique et la forme : maquettes d'architecture, emballages, vérification de l'ergonomie, etc. Elle ne convient cependant pas aux prototypes fonctionnels, car les pièces sont très fragiles. Le jet de liant à base de céramique peut également être utilisé pour créer des moules pour le moulage en sable.

Les pièces métalliques obtenues par le procédé par jet de liant peuvent être utilisées comme composants fonctionnels et sont plus rentables que les pièces métalliques SLM ou DMLS, mais ont des propriétés mécaniques moins bonnes.

Technologie Fabricants principaux Matières
Jet de liant 3D Systems, Voxeljet Sable de silice, particules de PMMA, gypse
ExOne Acier inoxydable, céramique, cobalt-chrome, carbure de tungstène

Dépôt sous énergie concentrée

Le dépôt sous énergie concentrée (Direct Energy Deposition, DED) crée des pièces en faisant fondre la matière en poudre au fur et à mesure qu'elle est déposée. Ce procédé est principalement utilisé avec des poudres ou des fils métalliques et est souvent appelé dépôt de métal.

Technologies

Laser Engineered Net Shape (LENS) Le procédé LENS utilise une tête de dépôt, qui se compose d'une tête laser, de buses de distribution de poudre et d'un tube de gaz inerte, pour faire fondre la poudre lorsqu'elle est éjectée des buses de distribution de poudre afin de construire une pièce solide couche par couche. Le laser crée un bassin de fusion sur la zone de construction et la poudre est pulvérisée dans le bassin, où elle est fondue puis solidifiée. Le substrat est généralement une plaque métallique plane ou une pièce existante sur laquelle on ajoute du matériau (par exemple pour la réparation).
Electron Beam Additive Manufacture (EBAM) Le procédé EBAM est utilisé pour créer des pièces métalliques à partir de poudre ou de fil métallique, soudées entre elles à l'aide d'un faisceau d'électrons comme source de chaleur. Produisant des pièces de manière similaire au procédé LENS, les faisceaux d'électrons sont plus efficaces que les lasers et fonctionnent sous vide, la technologie étant à l'origine conçue pour être utilisée dans l'espace.

Applications

Les technologies de dépôt sous énergie concentrée sont utilisées exclusivement dans la fabrication additive métallique. Par nature ces procédés sont parfaitement adaptés à la réparation ou à l'ajout de matière sur des composants existants (comme les aubes de turbine). Le recours à des structures de support denses fait que le dépôt sous énergie concentrée n'est pas idéal pour produire des pièces à partir de zéro.

Technologie Fabricants principaux Matières
LENS Optomec Titane, acier inoxydable, aluminium, cuivre, acier à outils
EBAM Sciaky Inc Titane, acier inoxydable, aluminium, cuivre-nickel, acier 4340

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