News Mardi 31 mai 2022 - 21:13

Suivre la qualité de ses machines de stéréolithographie

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La stéréolithographie (SLA) est la technologie de fabrication additive pionnière. En 1988, on parlait de « prototypage rapide ». Elle est restée très longtemps en utilisation quasi exclusive des services bureaux, probablement parce que son utilisation principale était orientée prototype sur des machines de grandes dimensions. Avec l’arrivée des machines de micro stéréo (micro SLA) où le laser passe à travers le fond transparent du bac et l’apparition de résines de plus en plus techniques, la stéréolithographie a changé les façons de produire de secteurs comme le dentaire ou la joaillerie. L’atout principal pour ces activités sont en effet un excellent rendu des surfaces. Dans cette fiche technique, nous allons vous donner des clés de suivi pour vos moyens de production.

La stéréolithographie est la première technologie d’impression 3D apparue dans le monde. Les premiers brevets de 1984 se sont concrétisés en 1988 par la vente des premières machines industrielles. Il y a eu peu d’évolutions dans le pincipe. Les plus fondamentales sont liées à l’ajout de résine entre chaque couche. à l’origine, la pièce plongeait sous le niveau de la résine et remontait pour mouiller la face supérieure (deep-deep). L’ajout d’un racleur a permis d’éviter l’effet ménisque qui faisait dépasser la pièce du plan de la résine.

Vers 2010, les machines de micro stéréo avec un laser polymérisant les pièces par le dessous ont vu le jour. La plateforme monte. La pièce sort du bain de résine au fil de la fabrication. Ces machines de plus petit format ont démocratisé l’utilisation de la photo-polymérisation par laser.

Ces deux technologies nécessitent des supports. Leur sollicitation est différente puisque dans une machine de stéréo, la pièce s’immerge tout au long de la fabrication (la poussée d’Archimède minimise les efforts sur les supports), dans une machine de micro stéréo, la pièce sort du bain de résine au fil de la fabrication, le poids de la pièce devenant une composante à prendre en compte dans la génération des supports.

Les pièces qui sont issues d’une machine de stéréolithographie sont soumis à la maîtrise d’une multitude de paramètres :

  • La gestion de la température dans la machine : qui définit la viscosité de la résine et sa stabilité chimique.
  • L’hygrométrie : qui influe sur la qualité finale de la pièce
  • Le spot laser : puissance, forme et diamètre du spot sur la résine.
  • Le raclage : avec une fonction différente entre la stéréolithographie et la micro stéréo
  • Etc.

Nous vous proposons, dans cet article quelques indicateurs simples à mettre en oeuvre afin de surveiller vos machines.

L’hygrométrie de la résine

Les formulations des résines varient suivant leur utilisation avec une sensibilité plus ou moins importante à l’humidité de l’air. L’enjeu de cette surveillance est différent entre les machines de SLA et de micro SLA. Dans le premier cas, la quantité de résine impactée varie de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de kilos. Si la résine devient « humide », il va falloir « faire avec » durant de longs mois avant un retour à la normale lié au « refill » entre chaque fabrication. Dans le deuxième cas, la micro SLA, vous ne perdez au pire que le contenu d’un bidon ouvert.

Les symptômes

Les indices les plus flagrants d’une reprise d’humidité de la résine est sa propension à mousser durant la phase de raclage, en particulier sur les structures des supports. Le phénomène existe mais est moins flagrant sur les machines de micro SLA, le racleur n’étant pas en contact avec la pièce, mais ayant juste la fonction de nettoyage de la fenêtre transparente du fond du bac.

Contrôle

Contrôle avec un hygromètre dans la machine pour rester dans les « specs » fabricant.

Prévention

Il est conseillé d’utiliser les machines dans un local régulé avec, par exemple, une climatisation ou à minima un deshumidificateur.

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qualité impression 3D SLA stereolithographie

Le diamètre du spot

Comme pour toutes les technologies employant un laser, la surveillance de cet élément est essentielle à la réalisation de pièces de qualité. Quand un spot est défocalisé, les parois sont plus épaisses, les jeux fonctionnels ne sont plus tenus. Une défocalisation n’est pas obligatoirement circulaire. Le plus insidieux est une ovalisation à 45° dans le plan X/Y. Quand on prend les cotes en X, c’est OK, en Y aussi et cependant, les pièces ne montent pas. C’est pour cela que l’éprouvette de contrôle du spot est un anneau circulaire permettant de vérifier l’épaisseur de la toile sur toute la périphérie.

Autre conséquence possible de cette défocalisation, l’énergie reçue par la résine est moins importante. Les couches peuvent se délaminer. Ce phénomène peut être accentué par une perte de puissance du laser.

Il est à noter que sur certains types de machine, le diamètre du spot n’est pas constant sur la totalité de la plateforme. Il varie en fonction de la position de la pièce dans le bac. Plus fin au centre et plus gros dans les coins extrêmes ou sur une couronne intermédiaire (zone de transition d’une lentille F-Thêta par exemple). Créer une cartographie de sa machine en lançant un job d’éprouvettes permet d’adapter la criticité des pièces avec sa position de fabrication.

Le contrôle

La mesure pourra s’effectuer au pied à coulisse sur l’épaisseur de la toile pour mesurer une éventuelle différence. L’encoche sur la pièce sert de détrompeur d’orientation.

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épaisseur fabrication additive sla stereolithographie
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diametre spot fabrication additive sla

Analyse du résultat

L’analyse permet de prendre en compte ce défaut pour le positionnement des pièces, modifier le diamètre apparent du spot si le logiciel de pilotage de la machine le permet. Cela permet aussi de programmer l’intervention de votre fournisseur pour améliorer la forme du spot.

Cotes en X/Y et Z

Les résines de stéréolithographie d’aujourd’hui sont peu soumises à des retraits. Il arrive cependant que les cotes varient de manière homothétique si la cartographie des têtes de scanner a évolué. Les causent peuvent être un changement de laser ou d’un moteur galvo X ou Y. Normalement ces opérations nécessitent une recalibration de la machine. Le lancement périodique d’une éprouvette permet de garantir que la qualité est constante.

Pour avoir une bonne cohésion des couches en Z, il est nécessaire que l’énergie du laser soit calibrée pour polymériser un peu plus que la hauteur de la résine. Par exemple pour accrocher des couches de 100 μm, le laser délivrera une énergie permettant de polymériser 120 μm. Se pose le problème des couches inférieures qui sont plus épaisse et déforme la pièce. Parfois, les stratégies de polymérisation de certains fabricants de machines différencient cette couche de clôture en minimisant son énergie. La transparence de la résine joue également un rôle dans la diffusion d’énergie et un « downskin » de plusieurs centaines de μm peut apparaître.

Le contrôle

Le contrôle peut être fait directement sur les pièces en mesurant des cotes en Z. L’écart doit être quasi identique entre une épaisseur de 10mm ou de 100 mm. S’il l’écart est proportionnel à la hauteur mesurée, il est recommandé de rechercher un problème de pilotage de l’axe Z.

Analyse du résultat

Cette sur-polymérisation peut être minimisée en utilisant les paramètres de Z-compensations présents sur certains logiciels de préparation. Il est également possible sur certaines machines de modifier la puissance du laser délivrée sur la couche de clôture inférieure. Cette opération nécessite une connaissance approfondie des caractéristiques de la résine utilisée. Entre autres, l’énergie critique nécessaire à sa photo-polymérisation.

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cotes x y z fabrication additive sla stereolithographie

Puissance du laser sur la résine

La puissance du laser va déterminer la bonne cohésion des couches entre elles. Trop importante, un stress peut être généré et va déformer la pièce ou générer le « downskin » vue précédemment. Trop faible, la pièce se délamine.

Symptômes

Une délamination peut être le résultat d’une baisse de puissance. Cette baisse de puissance elle-même engendrée par une usure du laser, un décalage du chemin optique ou la présence d’impuretés sur celui-ci.

Contrôle

Cette opération est automatiquement réalisée durant la fabrication sur certaines machines. Sur d’autres, elle est envisageable si vous pouvez allumer le laser et le pointer sur une coordonnée précise. Enfin, sur certaines machines, cette opération est impossible.

Le contrôle s’effectue à l’aide d’un Wattmètre conçu pour mesurer la longueur d’onde de votre laser. Le capteur et le terminal devront être compatibles avec la puissance émise.

Cette opération est dangereuse pour les yeux. Il est indispensable de s’équiper d’EPI adaptés et d’activer le laser porte fermée.

Niveau du racleur

La machine de stéréo utilise une résine qui par définition est toujours dans un plan horizontal. Cela nécessite d’avoir un réglage parfait du châssis supportant la cinématique du racleur. En effet si le racleur n’est pas parfaitement parallèle et à niveau, il peut collisionner avec les pièces ou bien empêcher un étalement régulier de la résine. Les machines de micro stéréo ne sont pas sensibles à ce paramètre puisque la polymérisation se fait dans la résine, sur la face inférieure du bac.

Symptômes

Collision ou délamination dans certaines parties du bac.

Contrôle

Le contrôle peut se faire avec un niveau de précision.

Hauteur de la résine

La hauteur résine est automatiquement réglée grâce à une triangulation laser. Quand cette cellule est sale ou déréglée, le niveau global de la résine est défectueux. Comme pour le niveau du racleur, les machines de micro stéréo ne sont pas sensibles à ce paramètre.

Symptôme

Apparition d’un ménisque sur toutes les faces supérieures des pièces ou délamination de toutes les pièces.

Contrôle

Le contrôle est assez subtil, il consiste à regarder visuellement à partir de quel moment la résine mouille lame du racleur quand on fait varier manuellement le niveau de la résine dans le bac.

Viscosité de la résine

La résine a une viscosité mesurée en centipoise. Les premières résines avaient une viscosité élevée comparable à du miel liquide. Au fil des développements, cette viscosité a diminué et est devenue plus proche d’un sirop avec 200 cps. Les résines chargées, par exemple de céramique, ont une viscosité très importante de plus de 2 500 cps. Cette viscosité est un indicateur important de la bonne santé de la résine.

Les facteurs d’une augmentation de viscosité peuvent être multiples : la diffraction lumineuse du laser sur le bac, l’exposition aux UV du local, les résidus de pièces ou de supports dans le fond du bac dû à des problèmes de fabrication, la surchauffe de la résine ou tout simplement son vieillissement. Un autre facteur peut être une instabilité de la formulation chimique. Les machines de micro stéréo sont moins sensibles et surtout n’engendre pas les mêmes impacts financiers en cas de résine défectueuse.

Contrôle

Mesure avec un viscosimètre à iso température entre chaque mesure. Une augmentation progressive doit vous alerter et l’information remontée à votre fournisseur de résine afin de palier à un éventuel problème. Il est parfois possible de rectifier la formulation pour sauver un bac de plusieurs dizaines de milliers d’euros.

Conclusion

Cette liste de suivi de la qualité machine n’est pas exhaustive. Dans bien des cas, les défauts sont multifactoriels et donc très difficiles à déceler sans avoir passé des centaines d’heures à observer des fabrications. Le respect de ces recommandations vous permettra de mettre en place un suivi qualité en minimisant le stress du job important non abouti.

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