L'impression 3D par stéréolithographie est un type d'impression 3D appelé photopolymérisation, qui est également appelé de manière générique impression 3D en résine. Toutes ces imprimantes fonctionnent en utilisant une source de lumière, comme un laser, un projecteur ou une lumière UV, pour transformer différents types de matériaux d'impression liquides en plastique solide. Ce guide de résine impression 3d va tenter de vous essayer à comprendre comment cela fonctionne.
Le Dr Hideo Kodama, un chercheur japonais, a eu l'idée de construire des couches stéréolithographiques au cours des années 1970. Il a réussi à obtenir les premières pièces en 3D en durcissant des polymères photosensibles avec de la lumière ultraviolette.
Hideo Kodama
C'est alors Charles W. Hull qui a inventé le mot "stéréolithographie". En 1986, il a obtenu un brevet pour cette technologie et a fondé 3D Systems pour la commercialiser. Selon M. Hull, la méthode fonctionnait en "imprimant" de fines couches d'un matériau qui durcissait lorsqu'il était exposé aux rayons ultraviolets.
Même si l'impression 3D SLA a été la première à être utilisée, elle n'a pas été la première méthode d'impression 3D largement et populairement utilisée. Lorsque les brevets ont commencé à expirer en 2009, l'impression 3D desktop de petit format a rendu la fabrication additive plus accessible. En fait, c'est le modelage par dépôt de matière fondue (FDM) qui a été la première technique de fabrication additive à être utilisée sur des plateformes desktop.
Les imprimantes 3D FDM (Fused Deposition Modeling) ne répondent pas toutefois à tous les besoins des professionnels, mais elles ont reçu le soutien des makers. Il s'agit de personnes qui ont découvert l'impression 3D comme un nouveau moyen de réaliser des pièces et qui n'avaient pas les moyens d'acheter la technologie SLA.
Les pièces imprimées en résine offrent la meilleure résolution, la meilleure précision, les détails les plus nets et les finitions de surface les plus lisses de toutes les techniques d'impression 3D, mais au prix de la post-production associée à un enlèvement du support.
En outre, ces dernières années, les fournisseurs de matériaux ont mis au point de nouveaux traitements pour produire de nouveaux types de résines qui présentent un large éventail de propriétés optiques, mécaniques et thermiques comparables à celles des thermoplastiques classiques, avec des applications techniques et industrielles toujours nouvelles.
À mesure que l'impression 3D en résine s'améliore, la façon de réaliser des prototypes et des produits dans les entreprises change. Comme la technologie devient moins chère et plus facile à utiliser, et que le matériel et les matériaux s'améliorent pour répondre aux besoins et aux opportunités du marché, les concepteurs, les ingénieurs et autres personnes ajoutent cette technologie à leurs flux de travail tout au long du processus de développement.
Les professionnels de divers secteurs utilisent ce processus d'impression 3D haute résolution et haute précision pour développer plus rapidement des prototypes et des productions, améliorer les processus de production et même élaborer des modèles d'entreprise totalement nouveaux.
Enfin, ce processus d'impression 3D de haute qualité peut désormais être utilisé pour produire des prototypes entièrement fonctionnels, même avec certaines résines standard, et peut même enfin concurrencer le moulage par injection pour les petites séries.
Les imprimantes 3D résine sont classées en trois macro-catégories: SLA, DLP et MSLA. Pour les comparer, lisez la suite:
La stéréolithographie SLA est la méthode la plus traditionnelle d'impression 3D. Elle fonctionne en exposant une couche de résine liquide photosensible à un faisceau laser UV; la résine se solidifie pour former le modèle souhaité et l'objet est créé couche par couche jusqu'à ce qu'il soit terminé. Cela permet d'imprimer un modèle avec un excellent niveau de détail.
La qualité de cette technologie varie fortement en fonction du type d'imprimante. Bien que cette technologie ait évolué, elle commence à devenir obsolète en raison de sa lenteur: en effet, le faisceau laser doit dessiner chaque couche individuelle comme un crayon.
Des tentatives ont d'ailleurs été faites pour surmonter le problème de la vitesse d'impression en insérant deux lasers ou plus qui peuvent travailler simultanément. Ce processus d'impression entraîne toutefois la création d'une ligne de couture sur les pièces réalisées sur l'ensemble du plan.
La MSLA (Masked Stereolithography) est toujours appelée stéréolithographie, mais alors que la technologie SLA utilise un laser pour tracer les couches et est souvent réservée aux applications industrielles en raison de son coût élevé, la MSLA polymérise une couche complète simultanément à l'aide d'une matrice de LED ultraviolettes (UV) et d'un écran LCD. Initialement limitée par la faible luminosité des écrans LCD et leur mauvaise résolution, elle remplace désormais la technologie SLA en raison de l'énorme amélioration des écrans LCD et de vitesses de production jusqu'à 20 fois plus rapides pour des résultats de qualité comparable.
Le Digital Light Processing (DLP) a constitué une étape évolutive intermédiaire entre les technologies SLA et MSLA. Cette technologie est intrinsèquement plus rapide que la SLA: une couche de matériau durci peut être produite en quelques secondes et transférée rapidement pour permettre l'impression de la couche suivante. Les imprimantes 3D DLP durcissent la résine liquide à l'aide de lampes à arc plutôt que d'un faisceau laser UV, ce qui accélère considérablement la production, sans toutefois atteindre les niveaux des dernières imprimantes MSLA.
Les ingénieurs, les concepteurs, les producteurs et autres professionnels adorent l'impression 3D en résine car ils peuvent réaliser des pièces aux détails fins, aux surfaces lisses et atteindre le plus haut niveau de précision et d'exactitude ainsi que des propriétés mécaniques telles que l'isotropie, l'imperméabilité et la polyvalence du matériau. Mais voyons plus en détail ses avantages:
Puisque l'impression 3D crée des pièces en superposant des couches de matériau, les performances mécaniques peuvent dépendre de la façon dont la pièce est orientée par rapport au processus d'impression, et les axes X, Y et Z peuvent avoir des propriétés différentes.
Les imprimantes 3D en résine réalisent des pièces qui réduisent considérablement ce problème. Dans ce cas, l'isotropie d'une pièce dépend d'un certain nombre de facteurs qui peuvent être contrôlés avec précision en combinant la chimie du matériau avec le processus d'impression. Au cours de ce processus d'impression, les pièces en résine forment des liaisons covalentes qui améliorent les performances dans l'axe vertical.
Ces liaisons rendent la pièce isotrope et imperméable lorsqu'elle est complètement durcie. Au niveau atomique, les plans X, Y et Z sont tous les mêmes. Ainsi, les pièces fonctionnent toujours de la même manière, ce qui est important pour les pièces telles que les gabarits et les montages, les composants d'utilisation finale et le prototypage fonctionnel.
Les pièces imprimées en 3D avec de la résine apparaissent comme une seule pièce, même si elles contiennent des parties solides ou des canaux. La capacité à être imperméable est importante pour les activités d'ingénierie et de fabrication qui impliquent le contrôle et la prévision du flux d'air ou de fluides. Les ingénieurs et les concepteurs exploitent cette importante propriété pour résoudre les problèmes de circulation de l'air et des fluides dans les automobiles ou dans la recherche biomédicale et les produits de consommation tels que les appareils de cuisine.
L'impression 3D en résine est utilisée par des industries telles que la dentisterie et la fabrication classique pour produire des pièces précises et exactes. Afin que le processus d'impression puisse produire de telles pièces, il est nécessaire non seulement de disposer d'une imprimante adéquate, mais aussi de contrôler attentivement les températures de production et la qualité de la résine.
En observant attentivement ces paramètres de l'impression 3D sur résine, il est possible d'obtenir des résultats précis avec une tolérance plus élevée que toute autre technologie d'impression 3D sur le marché.
Le dépôt de résine chauffée et l'environnement de construction fermé rendent le processus reproductible et l'impression de pièces identiques. Par rapport aux technologies utilisant des matériaux thermoplastiques qui font fondre la matière première, cette impression garantit également une meilleure précision à une température plus basse. En fait, dans la stéréolithographie, la lumière est utilisée à la place de la chaleur: le processus d'impression se déroule pratiquement à température ambiante, ce qui réduit considérablement les problèmes de dilatation et de contraction thermiques typiques des autres technologies.
La technologie de la stéréolithographie est certainement la meilleure quand il s'agit de produire des surfaces lisses. Les pièces donnent souvent l'impression d'être fabriquées par des méthodes traditionnelles telles que l'usinage, le moulage par injection et l'extrusion.
La qualité de surface des résines est excellente pour les applications qui nécessitent une finition lisse et, à partir de cet excellent point de départ, les opérations de post-traitement telles que le ponçage, le polissage ou la peinture des pièces sont également plus faciles et plus rapides.
Mais quelle est la relation entre la résolution réelle et le résultat final? En général, la résolution d'une imprimante 3D est mesurée par la hauteur de couche sur l'axe Z. Dans les imprimantes à résine, cette valeur peut être comprise entre 5 et 300 microns, et un équilibre entre vitesse et qualité est généralement recherché autour de 100 microns.
Les imprimantes FDM et SLS impriment généralement des couches sur l'axe Z d'une épaisseur comprise entre 100 et 300 microns, mais il faut savoir qu'une pièce fabriquée à 100 microns sur une imprimante FDM ou SLS aura un aspect bien inférieur à celui d'une pièce de 100 microns imprimée sur une imprimante SLA.
Les parois périphériques les plus extérieures d'une impression SLA étant droites et la couche nouvellement produite interagissant avec la couche précédente, l'effet d'écaillage est atténué, ce qui donne à une impression SLA une surface plus lisse dès sa sortie de l'imprimante. Les impressions FDM ont tendance à avoir des couches visibles, tandis que les impressions SLS ont une surface granuleuse où la poudre a été sintérisée.
Il est intéressant de travailler avec des résines, car leurs propriétés sont tellement différentes qu'elles offrent des solutions infinies à ceux qui ont la patience et la persévérance de les chercher. Les résines utilisées dans l'impression 3D peuvent être tendres ou dures, remplies d'une grande variété d'autres matériaux tels que le verre ou la céramique, ou dotées de propriétés mécaniques telles que la déviation à haute température ou la résistance aux chocs.
Les matériaux utilisés dans le prototype peuvent être spécifiques au secteur, comme dans le cas du secteur dentaire, ou ils peuvent s'adapter à tous les secteurs. Ces matériaux sont fabriqués de façon à être polyvalents et à offrir des performances adéquates, même s'ils sont orientés vers des performances nouvelles et innovantes.
Parfois, les entreprises fabriquent les pièces en interne, mais d'une manière limitée à des applications individuelles. En effet, de nombreuses entreprises ont réalisé que le know-how pour toutes ces différentes solutions peut s'avérer plus coûteux qu'un service d'impression 3D en résine qui fournit des pièces de qualité constante sans trop d'interruptions.
Photo-curing 3D printing technique and its challenges - science direct
Advances in SLA/DLP 3D printing materials and processes - green chemistry