News Mardi 24 février 2015 - 23:00

Le procédé de fabrication additive SLS (par frittage sélectif par laser)

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Le frittage sélectif par laser est la traduction du nom anglais Selective Laser Sintering dont le sigle connu est SLS. Cette technologie de fabrication additive a été inventé, dans les années 1980, par Carl R. Deckard, inventeur, enseignant et businessman à l'Université du Texas à Austin, aux États-Unis. La technologie fut ensuite brevetée par l'entreprise DTM Corporation. Celle-ci fut rachetée, en 2001, par la société 3D Systems. Classée dans la catégorie des procédés de fabrication additive à fusion sur lit de poudre, elle permet la production de pièces ou d’objets en métal, en plastique, en verre, en céramique ou en composite grâce à un ou plusieurs lasers haute puissance. 

Le fonctionnement de procédé d’impression 3D SLS

Généralement, les imprimantes 3D utilisant le frittage sélectif par laser sont composées d'une chambre de construction avec une plate-forme mobile, entourée à gauche et à droite par deux pistons fournissant la poudre, d'un puissant laser et d'un rouleau ou d’une raclette pour étaler le matériau. La chambre doit être maintenue à une température constante pour éviter les déformations. Avant l'impression, la plate-forme de fabrication est remontée au maximum tandis que les pistons sont à leur point le plus bas. La poudre est étalée en une couche uniforme sur tout le plateau d’impression. Le laser trace alors la section 2D sur la surface de la poudre, la frittant, en suivant le modèle CAO (conception assistée par ordinateur). La plate-forme de fabrication descend de l'épaisseur d'une strate tandis qu'un des pistons d'approvisionnement en poudre monte. Une nouvelle couche est étalée sur toute la surface par le rouleau. Le processus d’impression se répète jusqu'à ce que la pièce soit terminée. 

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Processus d’impression 3D par frittage sélectif par laser (crédit formlabs)

  1. Dans une imprimante 3D SLS, la poudre est étalée sur le plateau d’impression.
  2. L’imprimante 3D chauffe celle-ci à une température légèrement inférieure à celle de fusion. 
  3. Un système de piston permet la distribution du matériau sur le plateau de fabrication.
  4. La plateforme s’abaisse d'une seule couche dans la chambre de fabrication, généralement entre 50 et 200 microns, puis un rouleau ou un racleur applique une nouvelle couche de poudre. 
  5. Ce processus d’étalage se répète couche après couche jusqu’à ce que l’impression soit terminée.
  6. Un laser imprime la pièce par couches successives en respectant le modèle 3D numérique divisé en tranche.
  7. Le laser est guidé par un miroir.
  8. Il est un élément primordial de l’impression 3D SLS.

Lorsqu’une impression est terminée, les pièces refroidissent dans la chambre de l’imprimant 3D, avant d’être retirées. Elles sont ensuite séparées les unes des autres et nettoyées de l’excès de poudre. Ce processus est généralement terminé manuellement au niveau d’une station de nettoyage en utilisant de l’air comprimé ou une soufflante.

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Schema Impression 3D SLS 2 - a3dm magazine

Avantages et inconvénients de la fabrication additive SLS 

De nombreux industriels utilisent aujourd’hui l’impression 3D SLS. Ce procédé a fait ces preuves tant pour la qualité et la productivité du système de fabrication que pour la large gamme de matériaux qu’il offre. De nombreux avantages non négligeable !

  • La technologie de frittage sélectif par laser ne requiert pas de structures de support. Les pièces imprimées sont tenues par la poudre qui entoure celles-ci. 
  • Les lasers ont une vitesse de balayage élevée et sont extrêmement précis (ce qui diffère de l’impression par dépôt de matière comme le FDM). Ils permettent ainsi d’imprimer des pièces avec une grande précision et une bonne productivité. 
  • L’impression 3D SLS fonctionne avec une grande gamme de matériaux : métal, polymère, verre, céramique ou matériau composite. 

Le procédé SLS possède bien évidemment des inconvénients par rapports à d’autres technologies d’impression 3D. (La technologie d’impression 3D SLS pour les polymères est généralement comparée à celle FDM, plus rarement à la technique SLA avec sa résine.)

  • La quantité de poudres utilisée pour une impression, même si l’ensemble n’est pas fritté, est conséquente. L’impression peut se révélée couteuse en fonction du prix du matériau.
  • Le laser est une pièce importante du procédé de fusion sur lit de poudre. Or ce produit est cher, ce qui élève souvent le prix des machines. Ne parlons pas du prix des imprimantes 3D utilisant plusieurs lasers !
  • L’utilisant de la poudre pose des problèmes d’hygiène, de sécurité et d’environnement. L’investissement pour sécuriser sa manipulation est un coût supplémentaire. 

De nombreux matériaux

La technologie d’impression 3D SLS permet de la production de pièces en utilisant une large gamme de différents matériaux disponibles sur le marché comme des métaux tels que l’acier ou le titane, mais aussi des polymères : nylon ou PA12 (peu résistant en température mais souple), du verre, des céramiques ou encore des composites. En fonction de ceux-ci, les propriétés de la pièce produite sont différentes.

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Une partie du matériau non utilisée lors d’une impression peut être filtrée puis recyclée. Celle-ci devra toutefois être mélangée à de la poudre neuve, avant d’être remise dans l’imprimante. Le recyclage des poudres est actuellement un enjeu important pour les fabricants de systèmes, mais aussi pour les utilisateurs. Le prix des poudres, notamment métalliques, peut s’avérer élevé ce qui va influencer le choix des potentiels acheteurs d’imprimantes 3D SLS.

Les fabricants d’imprimantes SLS

Les deux grands fabricants de machines utilisant le procédé SLS sont 3D Systems et EOS, chacun proposant un large choix d’imprimantes. Mais de nombreux autres acteurs se sont placés sur le marché comme Sinterit et son imprimante phare la Lisa, Sintratec, Formlabs et sa machine Fuse 1, le fabricant espagnol Natural Robotics, le concepteur russe Red Rock, les fabricants chinois Farsoon et XYZ Printing, l’entreprise belge Aerosint et bien évidemment le fabricant français Prodways. Ces différentes entreprises transforment le marché en proposant un large choix de machines, allant de l’imprimante de bureau à des systèmes industriels, à tous les prix et permettant de très nombreuses applications, du prototypage à de la production d’outils et d’objets.

Contenu Encadré

Le procédé de fabrication additive SLM

La fabrication additive par fusion sélective par laser, traduit de l’anglais Selective Laser Melting ou SLM, est une variante de l’impression 3D SLS dans laquelle le matériau en poudre est fusionné et pas simplement fritté par le laser. Les imprimantes 3D SLM sont utilisées pour imprimer en 3D des pièces en métal.

Contenu Encadré

L’impression 3D de médicaments

Le frittage sélectif laser (SLS) permet d’imprimer un grand nombre de poudres. Nous avons cité précédemment les matériaux classiques. Mais il est également possible d’imprimer de médicaments. Depuis 2015, l’University College London (UCL) mène des recherches sur l’impression 3D de médicaments. Ceux-ci sont composés d’un mélange de médicaments, comme du paracétamol, et d’un colorant couramment utilisé dans l’industrie pharmaceutique, qui sert à enrober les comprimés.Lors de l’impression de médicaments, les particules de poudre se lient les unes aux autres sous l’effet de la chaleur. Le principal avantage de la technologie SLS par rapport aux autres procédés comme le SLA ou le FDM dans le domaine pharmaceutique est que le processus de frittage ne dégraderait pas le médicament. 

Plus d’informations dans l’article Nos futurs médicaments seront imprimés en 3D et personnalisés.

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