News Mercredi 25 février 2015 - 16:54

Le procédé d’impression 3D SLA (stéréolithographie)

Partagez cette news :

fabrication-additive-sla-stereolithographie

Premier procédé de fabrication additive brevetée, la stéréolithographie ou SLA a été inventée en 1986 par Charles Hull. Ce dernier fondera dans la foulée la société 3D Systems qui commercialisera la première imprimante 3D, en 1988.

Le fonctionnement du procédé SLA

Cette technique, aussi nommée « stereolithograph apparatus » (SLA), utilise le principe de photo-polymérisation dans laquelle une lumière UV solidifie une couche de résine photopolymère* liquide. Le faisceau lumineux ou laser est contrôlé et dirigé par des miroirs extrêmement précis. Il balaie la surface de résine liquide en fonction de la forme de l’objet à imprimer. Sous l’effet de la lumière, cette résine se polymérise pour former une couche solide. La plate-forme descend selon l’épaisseur de la couche et l’opération est renouvelée. Couche par couche, l’objet est imprimé par photo-polymérisation. Sur certains modèles de machines SLA, la production de la pièce se fait à l’envers (voir ci-dessous). La plate-forme est immergée dans le bac de résine après chaque couche solidifiée tandis que le laser agit de bas en haut. Enfin, les technologies d’impression 3D à base résines nécessitent des besoins en post-traitement. Les objets imprimés doivent être nettoyés dans un bain de solvant, puis placé dans un four à ultraviolet afin de durcir la ou les pièces imprimées. 

Image
procédé-impression-3D-SLA-stéréolithographie

La préparation du fichier CAO

Comme pour les autres procédés de fabrication additive tels que le FDM, le SLM ou encore le DLP, le travail d’impression 3D commence par l’analyse d’un fichier CAO (conception assistée par ordinateur). Un logiciel vient découper l’objet numérique en tranche, d’épaisseurs sélectionnées. Si besoin, des supports sont définis pour maintenir la pièce pendant l’impression. À la toute fin du processus de conception et design de l’objet imprimable, un fichier, souvent au format stl, est généré puis envoyé à la machine. 

Les avantages de l’impression SLA

Le procédé d’impression 3D SLA possède de nombreux avantages dont la qualité des détails et la finition des objets imprimés. La stéréolithographie permet l’impression d’objet de qualité, avec la possibilité d’imprimer des couches extrêmement fines. Les pièces peuvent également posséder d’autres très bonnes propriétés telles que la résistance. À l’inverse de nombreux procédés d’impression 3D, la photopolymérisation offre une bonne résistance inter-couche à la pièce. Lorsque la couche suivante est durcie, la réaction de polymérisation se fait aussi avec les groupes de la première couche, formant des liaisons covalentes tant au niveau latéral qu’avec la strate précédente. Ainsi, sur le plan moléculaire, il existe peu ou pas de différence entre l’axe Z et le plan XY en termes de liaisons chimiques. Toute pièce continue imprimée sur une machine SLA est isotrope.

Les inconvénients du procédé SLA

La fabrication additive par stéréolithographie possède cependant plusieurs inconvénients. Tous d’abord, le prix des machines peut s’avérer plus élevé que celui d’autres procédés technologiques d’impression 3D. Ensuite, l’étape de post-traitement, principalement la solidification dans un four, peut déformer légèrement la pièce. Enfin, les pièces fabriquées avec le procédé SLA peuvent également se modifier avec le temps et au contact de la lumière.

Le SLA requiert « un investissement initial élevé et son exécution est très coûteuse en raison de l’importance de l’installation, des exigences de maintenance et du volume physique. La cuve doit être entièrement remplie de résine, ce qui représente facilement 10-100+ litres de matière première. La manipulation, la maintenance, la filtration et l'échange des matériaux deviennent alors des tâches fastidieuses. Ces machines ont des exigences très spécifiques en matière de stabilité et de nivellement. Toute incohérence peut entraîner le renversement de la pièce par la lame balayeuse, et donc l’échec de l’impression », explique le fournisseur de solution d’impression 3D SLA Formlabs sur son site. De plus, le laser utilisé dans la machine ainsi que les résines, matériaux principaux pour la construction de l’objet 3D, sont des produits coûteux. 

L’impression 3D SLA inversée

L’impression 3D par stéréolithographie peut également se réaliser de manière inversée, le processus est alors exécuté dans l’autre sens (voir le schéma ci-dessous). Cette méthode utilise un bac avec un fond transparent et une surface non adhésive, qui constitue un substrat sur lequel la résine durcit et qui permet de détacher doucement les couches nouvellement formées. Le laser ou la lumière ultraviolet est réfléchi par un miroir qui permet de dessiner une coupe transversale du modèle. La plateforme de fabrication s’élève pour laisser de la résine fraîche s'écouler en dessous, couche après couche, jusqu’à ce que l’impression soit terminée. Dans certains systèmes, le bac est chauffé pour offrir un environnement contrôlé et une lame balaye le bac entre chaque couche pour faire oxygéner la résine et éliminer les résidus de résine semi-durcie. C’est le cas des machines du fournisseurs de solutions de fabrication additive Formlabs et sa gamme d’imprimantes Form. 

L’avantage de cette approche inversée est que le volume de construction peut être sensiblement supérieur au volume du bac. La quantité de résine nécessaire est donc moindre, rendant possible l’utilisation d’imprimantes 3D SLA plus abordable. Le volume de construction est cependant limité. Et des structures de support plus importantes sont nécessaires pour maintenir la pièce fixée à la plateforme de fabrication. 

Image
fabrication-additive-sla-formlabs

Les matériaux pour l’impression 3D SLA

Les matériaux utilisés pour la stéréolithographie sont finalement assez nombreux (en comparaison souvent avec les poudres ou les filaments). On y retrouve des résines classiques, mais aussi techniques ou encore propre à certaines applications. Dans les industries, de nombreuses résines sont formulées spécifiquement, avec des propriétés matérielles telles que la dureté, la durabilité, la souplesse et la résistance à la température. Elles permettent d’imprimer directement des prototypes fonctionnels, de l’outillage rapide, des moules à injection, des moules pour thermoformage et pour présenter des produits de grande consommation. Les secteurs du dentaire, de la joaillerie ou encore de la bijouterie développent de nombreuses résines sur-mesure pour leurs applications en fabrication additive SLA. 

Image
materiau-impression-3d-formlabs

Les applications de l’impression 3D SLA

Le procédé SLA est largement utilisé pour la création et l’impression de modèles, de maquettes, de prototypes et d'outillage dans de nombreuses industries. Nous l’avons vu précédemment, les secteurs du dentaire et du médical sont intéressés par ces matériaux biocompatibles. La bijouterie, la joaillerie et l’horlogerie sont également très demandeurs de cette technologie qui permet d’imprimer des pièces avec une bonne précision, une bonne résolution, des détails et de grande qualité. D’autres secteurs d’activité ont également su profiter de cette technologie…

Une application de la technologie de fabrication additive qui a grandement séduit l’équipe d'A3DM Magazine est le violon électrique haut de gamme 3Dvarius, réalisé en une seule pièce grâce à l’impression 3D. Cette conception a été un réel défi pour Laurent Bernadac, violoniste et ingénieur, et l’œuvre qui en résulte démontre les capacités apportées par la fabrication additive. Ce projet est né en 2011 dans l’esprit du violoniste et ingénieur en mécanique. Il souhaite alors créer son « propre violon électrique pour rassembler dans le même instrument toutes les qualités [qu’il] avait pu trouver dans les violons acoustiques et électriques existants ». Son cahier des charges est donc de créer « un violon avec de très bonnes qualités sonores, léger, résistant, parfaitement jouable, avec un design qui me satisferait », nous explique-t-il. La stéréolithographie a été choisie pour sa grande précision d’impression et sa résistance nécessaire pour soutenir la pression des cordes.

Plus d’informations et les étapes de fabrication du 3Dvarius ici.

Image
3Dvarius-a3dm-magazine
Contenu Encadré

Le procédé de fabrication additive DLP (Digital Light Processing)

Le procédé de fabrication additive DLP, Digital Light Processing, comme l’impression 3D SLA, est basé sur un processus de photo-polymérisation. Une résine photosensible liquide, contenue dans une cuve de l’imprimante 3D, est polymérisée, couche par couche, par des rayons UV issus d’une source de lumière. Cette technologie se distingue de la stéréolithographie par son projecteur à écran numérique qui va projeter une seule image sur l’ensemble de la plate-forme d’impression à chaque couche.

Le projecteur des imprimantes 3D DLP couvre l’ensemble de la cuve (procédé différent de la technologie Movinglight® de Prodways) rendant le procédé plus rapide que la stéréolithographie dont le laser fonctionne point par point. Il est également moins coûteux qu’un laser. Une imprimante 3D DLP devrait donc être plus abordable qu’une imprimante SLA. En revanche, la technique SLA est plus précise grâce à son laser qui dessine la pièce.

Plus d’informations sur l’impression 3D DLP ici.

Comme les imprimantes 3D SLA et DLP, les machines 3D LCD utilisent de la résine liquide comme consommable. Dans le procédé LCD, comme celui DLP, la résine est solidifiée par un projecteur de lumière, sur toute la surface d’une couche à la fois. Cette source de lumière provient toutefois d’un écran LCD solidifie de la résine photosensible par couches entières.

Image
piece-fabrication-additive-sla-dlp-formlabs
Contenu Encadré

Avantages des technologies d’impression 3D stéréolithographie

Les imprimantes 3D SLA offrent des avantages tels que :

  • possibilité d’imprimer de petits objets aux géométries complexes avec une très bonne résolution et précision ;
  • Diversité des matériaux résine disponibles : céramique, métal, biocompatible, flexible, rigide, etc.
  • Finitions propres et surfaces lisses (pas de couches visibles comme avec les technologies à filament, fdm ou fff).

Les imprimantes 3D résine présentent cependant quelques des limites :

  • post-traitement et chambre UV souvent obligatoires pour l’enlèvement des structures de support, durcissement final à la lumière, etc. ;
  • nettoyage chronophage et pénible après chaque impression du bac à résine, des pièces imprimées ;
  • émissions nocives et malodorantes ;
  • mesures de sécurité requises pour manipuler le matériau : gants, masque, etc.

*Qu’est-ce qu’un photopolymère ?

Le photopolymère est une substance synthétique dont les propriétés physiques se modifient au contact de la lumière. Les différents photopolymères sont sensibles aux rayons ultraviolets et durcissent au contact d’un laser ou d’autres faisceaux lumineux. 

Newsletter

Ne manquez plus aucune info sur la fabrication additive