Qu'est-ce que l'impression 3D SLS et comment fonctionne-t-elle ?

Le frittage sélectif par laser (SLS) est une technologie d'impression 3D courante pour le prototypage rapide. Elle utilise un laser pour interagir avec un matériau en poudre et construire des pièces couche par couche. Cet article explique le principe de base de l'impression 3D par frittage sélectif par laser (SLS), décrit son fonctionnement, présente le processus complet, identifie les matériaux adaptés et aborde ses applications.

Présentation de l'impression 3D SLS

Le frittage laser sélectif (SLS) est une technologie de fabrication additive qui utilise un laser pour interagir avec un matériau en poudre et construire des pièces couche par couche. Il utilise généralement un laser CO₂ comme source laser. À partir des données de stratification saisies par ordinateur, chaque couche est scannée et frittée de manière sélective. Le SLS est une technologie de fabrication additive extrêmement flexible et adaptable. Il s'affranchit des limitations des procédés traditionnels de mise en forme des matériaux et de fabrication soustractive. Il ne nécessite ni moules ni structures de support. Il consiste à ajouter de la matière pour former la pièce. Il offre une grande liberté de conception, un cycle de développement produit court et un faible coût de fabrication. Il permet de produire rapidement des pièces complexes en polymère, en métal et en céramique.

Principe du frittage laser sélectif

Avant la numérisation, la technologie SLS nécessite le préchauffage de la poudre à une température inférieure à son point de fusion. Ceci réduit les déformations thermiques et les problèmes d'adhérence de la poudre lors de la numérisation laser, et favorise également la liaison entre les couches. Le logiciel contrôle le fonctionnement du laser, le réglage de la puissance, le préchauffage de la poudre, le rouleau d'épandage et le déplacement du cylindre de poudre.

Après avoir paramétré le procédé laser (puissance, vitesse et espacement de balayage, épaisseur de couche), l'ordinateur contrôle le laser pour émettre un faisceau de haute précision. Le laser balaie sélectivement la couche de poudre selon les données du modèle tridimensionnel. La zone balayée absorbe l'énergie laser et sa température augmente. Lorsque celle-ci atteint le point de ramollissement ou de fusion de la poudre, celle-ci se fluidifie. Les particules de poudre entrent en contact, forment des ponts de frittage et se lient entre elles. Les zones non balayées restent sous forme de poudre et servent de support aux zones balayées.

Une fois le balayage de la zone spécifiée terminé par le laser, une partie de la chaleur est transférée à la couche de poudre inférieure par conduction thermique, créant ainsi une liaison entre la couche actuelle et la couche sous-jacente. La chaleur restante se dissipe lentement par convection et rayonnement à la surface. La température commence à baisser, et les particules de poudre refroidissent et se solidifient progressivement. Dans la zone balayée, les particules de poudre s'agglomèrent pour former le contour souhaité.

Une fois le balayage d'une couche terminé par le laser, le cylindre de construction descend d'une épaisseur de couche, tandis que le cylindre d'alimentation en poudre s'élève d'une hauteur équivalente. Le rouleau répartiteur de poudre se déplace et tourne ensuite vers le cylindre de construction, poussant l'excédent de poudre du cylindre d'alimentation sur la surface du cylindre de construction pour former une nouvelle couche de poudre d'épaisseur exacte. La couche suivante est alors frittée. Ce processus se répète couche par couche jusqu'à ce que la pièce soit entièrement réalisée.

Une fois toutes les sections frittées, la pièce imprimée est retirée du lit de poudre. La poudre non frittée présente en surface et à l'intérieur des structures complexes est soigneusement éliminée. Ensuite, des étapes de post-traitement telles que le ponçage et le séchage sont réalisées afin d'obtenir la pièce tridimensionnelle finale.

En tant que technologie de fabrication rapide totalement différente de la fabrication soustractive traditionnelle, le SLS présente de nombreux avantages pour la fabrication de pièces :

• Large gamme de sources de matériaux. En théorie, tout matériau en poudre capable d'assurer une liaison particulaire après frittage laser peut être utilisé comme matériau SLS.
• Procédé de fabrication simple. L'ensemble du processus est automatisé. Seules la conception du modèle et la préparation des matières premières sont nécessaires pour la fabrication de la pièce dans l'équipement SLS. Le processus de fabrication est relativement simple.
• Précision de formage relativement élevée. La précision de la pièce formée dépend de la précision du balayage laser et de la taille de la zone affectée thermiquement, qui peuvent être ajustées en modifiant les paramètres du procédé.
• Idéal pour la production de pièces de formes complexes sans structures de support ni moules. La poudre non frittée présente dans les zones non scannées sert de support aux couches en surplomb. L'absence de moules permet de réaliser des formes très complexes.
• Taux d'utilisation des matériaux élevé. La poudre non utilisée après une première fabrication peut être réutilisée, ce qui améliore l'utilisation des matériaux et réduit les coûts.

Procédé de frittage laser sélectif

La technologie de frittage laser permet désormais d'utiliser une grande variété de poudres pour produire des pièces aux matériaux correspondants. Grâce à sa maturité, les pièces imprimées présentent généralement une excellente précision et une grande résistance. Toutefois, le principal avantage du frittage laser sélectif (SLS) réside dans sa capacité à imprimer directement des pièces métalliques finies. Les composants ainsi obtenus répondent directement aux exigences de test. Le frittage laser permet de fritter les pièces métalliques, directement ou indirectement, et la résistance finale du matériau est nettement supérieure à celle obtenue avec d'autres technologies d'impression 3D.

Conformément au principe du procédé SLS présenté précédemment, le procédé spécifique peut être résumé comme suit :

1. L'ensemble de la chambre d'impression est maintenu en permanence à une température légèrement inférieure au point de fusion du matériau en poudre pendant l'impression.
2. Étalez la poudre de matériau sur la surface supérieure de la pièce déjà formée et nivelez-la.
3. Utilisez un laser CO₂ de haute intensité pour irradier la couche de la pièce sur la nouvelle couche déposée. La poudre de matériau est frittée sous l'effet du laser et se lie à la pièce précédemment formée en dessous.
4. Une fois qu'une section de couche est frittée, le système d'épandage de poudre dépose une nouvelle couche de matériau en poudre, puis la section de couche suivante est imprimée.

Bien que la technologie de frittage laser présente des avantages indéniables, elle comporte également des inconvénients. Premièrement, le frittage de poudres engendre une surface rugueuse nécessitant un ponçage ultérieur. Deuxièmement, elle requiert des lasers de forte puissance, ce qui implique des coûts d'équipement et de maintenance plus élevés, ainsi que des composants de protection et de contrôle supplémentaires. La complexité technique globale de l'équipement est importante et sa fabrication est difficile. Son coût élevé la rend inaccessible aux particuliers, freinant ainsi sa diffusion à grande échelle.

Paramètres du procédé de frittage laser sélectif

Les pièces imprimées par SLS doivent présenter une précision et une résistance suffisantes. Une précision insuffisante compromet la conformité de la pièce finale aux exigences. À l'inverse, une résistance trop faible empêche le maintien de formes complexes et le post-traitement, ce qui peut entraîner des dommages ou une résistance insuffisante. La résistance de la pièce formée ne peut être améliorée que lorsque les particules de poudre sont parfaitement ramollies et liées. Ceci requiert une chaleur suffisante dans la zone de frittage laser pour faire fondre les particules de poudre. Cependant, une densité d'énergie laser trop élevée crée une zone affectée thermiquement importante par conduction, engendrant des erreurs dimensionnelles plus importantes et une précision de formage moindre. Par conséquent, l'effet de la densité d'énergie laser sur la résistance et la précision doit être considéré conjointement afin de définir des paramètres de procédé optimaux.

Puissance laser

L'énergie laser produite est principalement déterminée par la puissance du laser. La chaleur émise par le laser agissant sur la poudre suit trois voies : elle est absorbée par la poudre dans la zone sélectionnée, conduite vers les zones environnantes, ou dissipée dans l'air par convection, rayonnement et réflexion. Le faisceau laser est une source de chaleur mobile, et son temps d'interaction avec la poudre n'est généralement que de quelques millisecondes à quelques dizaines de millisecondes. La poudre chauffe et refroidit donc rapidement. Lors du chauffage, les propriétés thermiques de la poudre, telles que le taux d'absorption laser, la réflectivité et la conductivité thermique, varient avec la température. La température en tout point de la poudre varie également constamment. Il s'agit d'un processus de transfert de chaleur très complexe et instable.

Vitesse de numérisation

Lors du frittage laser, le balayage du plan de travail par le laser provoque la fusion, l'écoulement et la liaison des particules de poudre. Le laser balaie point par point pour former des lignes, puis ligne par ligne pour former des surfaces, et enfin couche par couche pour former un solide. Lorsque la vitesse de balayage diminue, la densité d'énergie du laser augmente, de même que l'énergie absorbée par le matériau à proximité du point de balayage. Ceci accroît la largeur et la profondeur de la zone de fusion, ce qui contribue à augmenter la résistance de la pièce formée. La largeur et la profondeur de la zone de fusion ayant une incidence importante sur l'espacement de balayage et l'épaisseur des couches, la vitesse de balayage doit être optimisée en fonction de ces deux paramètres. Une vitesse de balayage trop faible réduit l'efficacité de la production. De plus, lors du balayage des bords, l'élargissement de la zone de fusion accroît la zone affectée thermiquement, ce qui diminue la précision de la pièce formée.

Espacement de numérisation

L'espacement de balayage correspond à la distance entre deux lignes de balayage. Lors du balayage laser, seule la poudre présente dans les zones de balayage doit se lier. Le champ thermique dans la zone de balayage doit avoir un impact minimal sur la poudre environnante. L'espacement de balayage est généralement choisi légèrement inférieur au diamètre du spot laser. Ceci crée un léger chevauchement entre les lignes de balayage adjacentes, évitant ainsi la formation de joints de grains trop marqués au sein d'une même couche. Il en résulte une liaison monocouche plus uniforme et une influence moindre du champ thermique sur les zones environnantes, garantissant une meilleure précision dimensionnelle de la pièce brute.

Épaisseur d'une seule couche

L'épaisseur d'une couche correspond à l'épaisseur de poudre déposée, soit la hauteur atteinte par le cylindre de construction à chaque passage. La densité d'énergie laser diminuant avec l'épaisseur, l'épaisseur de couche frittable est très limitée. Une épaisseur trop importante entraîne une faible adhérence entre les couches, ce qui peut provoquer un délaminage ou une réduction de la résistance de la pièce en hauteur. À l'inverse, une épaisseur trop faible provoque le refrittage d'une partie de la poudre déjà frittée, affectant la qualité de la pièce. Le rouleau de dépôt exerce une pression vers le bas sur la poudre, ce qui contribue à augmenter sa densité de tassement. Par conséquent, plus l'épaisseur de la couche est faible, plus la densité de la pièce frittée est élevée. Une force horizontale peut également engendrer un léger décalage entre les couches et réduire la précision. En particulier pour les pièces aux surfaces courbes, le frittage laser produit des surfaces étagées dont les transitions ne sont pas fluides, ce qui diminue la précision de surface et de forme.

Pour les pièces à surfaces courbes, l'erreur de frittage laser dépend à la fois de la pente de la courbe et de l'épaisseur de la couche. Plus l'épaisseur de couche est importante, plus l'effet d'escalier est marqué, ce qui accroît les écarts de volume, de forme et de dimensions entre la pièce frittée et la pièce théorique. Par conséquent, pour le frittage de pièces à surfaces courbes, il convient de réduire l'épaisseur de couche et de choisir avec soin la direction de frittage afin d'obtenir une précision optimale.

Diamètre du spot laser

Lorsque le faisceau laser frappe la surface de la poudre, il forme un point d'une certaine taille. Lors du frittage de la poudre par ce faisceau, un décalage apparaît entre le contour de la pièce formée et la trajectoire de balayage du centre du point, ce qui donne l'impression que le contour extérieur de la pièce est légèrement plus grand. De plus, le point peut arrondir les angles vifs de la pièce, affectant ainsi la précision de sa forme. L'influence de la taille du point sur la précision de formage masque en partie celle de la granulométrie de la poudre. Le diamètre du point laser a également un impact important sur l'efficacité de formage. À vitesse de balayage égale, un diamètre plus grand améliore l'uniformité de la distribution de la densité d'énergie, permet un espacement de balayage plus important et contribue à accroître l'efficacité. Un diamètre plus petit favorise l'adhérence entre les couches et les propriétés mécaniques de la pièce. L'utilisation d'une technologie de point variable permet un balayage avec un petit point sur les bords et un balayage avec un grand point à l'intérieur. Ceci améliore l'efficacité du balayage, réduit la déformation et permet de produire des pièces à haute résistance.

Matériaux de frittage laser sélectif

La technologie SLS est une technique de fabrication additive utilisant un lit de poudre. De ce fait, les caractéristiques du matériau en poudre influencent fortement les performances des pièces SLS. Parmi celles-ci, la taille des particules, leur distribution et leur forme sont primordiales. La technologie SLS offre un large éventail de matériaux de mise en forme. De nombreux matériaux SLS ont été développés, tant en Chine qu'à l'étranger. Selon leurs propriétés, on peut les classer en plusieurs catégories : matériaux métalliques, céramiques, polymères, etc.

Matériaux polymères

L'un des principaux avantages de la technologie SLS réside dans sa capacité à traiter une grande variété de matériaux, notamment les polymères, les métaux et les céramiques. Comparés aux métaux et aux céramiques, les polymères présentent l'avantage d'une température de formage plus basse, d'une puissance laser de frittage réduite et d'une précision accrue. Premiers matériaux d'impression SLS les plus performants, ils occupent encore aujourd'hui une place importante. La diversité de leurs types, de leurs performances et des différentes techniques de modification disponibles leur offre un large champ d'application. La technologie SLS exige que les polymères soient réduits en poudre solide d'une granulométrie moyenne comprise entre 10 et 100 µm. Après absorption de l'énergie laser, ils doivent fondre (ou ramollir, réagir) et se lier sans dégradation significative. Actuellement, les principaux polymères utilisés en SLS sont les thermoplastiques et leurs composites. Les thermoplastiques se divisent en deux catégories : cristallins et amorphes.

Polymères amorphes

Les polymères amorphes présentent une agitation moléculaire active à la température de transition vitreuse (Tg), et la poudre commence à se lier avec une fluidité réduite. Par conséquent, lors du frittage sélectif par laser (SLS), la température de préchauffage de la poudre de polymère amorphe ne doit pas dépasser Tg. Afin de limiter la déformation de la pièce frittée, elle est généralement fixée légèrement en dessous de Tg. Lorsque le matériau absorbe l'énergie laser, sa température s'élève au-dessus de Tg et le frittage se produit. Les polymères amorphes ont une viscosité élevée à Tg, et la vitesse de frittage est inversement proportionnelle à cette viscosité. Il en résulte une vitesse de frittage très faible, une faible densité et une faible résistance de la pièce frittée (structure poreuse), mais une grande précision dimensionnelle. En théorie, l'augmentation de la densité d'énergie laser peut accroître la densité, mais en pratique, une densité d'énergie excessive provoque souvent une décomposition importante du polymère, réduisant ainsi la densité. Elle intensifie également le frittage secondaire et diminue la précision. C'est pourquoi les polymères amorphes sont généralement utilisés pour la fabrication de pièces ne nécessitant pas une résistance élevée, mais une grande précision dimensionnelle. Les polymères amorphes couramment utilisés dans le SLS comprennent le polycarbonate (PC), le polystyrène (PS), le polystyrène choc (HIPS) et le polyméthacrylate de méthyle (PMMA).

Polymères cristallins

La température de frittage des polymères cristallins est supérieure à leur température de fusion (Tm). Au-dessus de Tm, ces polymères présentent une très faible viscosité à l'état fondu, ce qui leur confère une vitesse de frittage élevée et une densité très importante des pièces frittées, généralement supérieure à 95 %. Par conséquent, lorsque le matériau possède une résistance intrinsèque élevée, les pièces frittées en polymère cristallin présentent une résistance élevée. Cependant, les polymères cristallins subissent un retrait important lors de la fusion et de la cristallisation, ainsi qu'un retrait volumique considérable lors du frittage. Ceci les rend sujets à des déformations par gauchissement pendant le frittage, entraînant une précision dimensionnelle moindre. Actuellement, le nylon est le polymère cristallin le plus couramment utilisé en frittage laser sélectif (SLS). D'autres polymères cristallins, tels que le polypropylène, le polyéthylène haute densité et le polyétheréthercétone, sont également utilisés dans cette technologie.

Les produits polymères thermoplastiques industriels se présentent généralement sous forme de granulés. Ces polymères granulaires doivent être réduits en poudre avant d'être utilisés dans le procédé SLS. Les matériaux polymères possèdent une viscoélasticité. Lors du broyage à température ambiante, la chaleur générée accroît cette viscoélasticité, rendant le broyage difficile. Les particules broyées peuvent également se recoller, réduisant ainsi l'efficacité du broyage et pouvant même provoquer un étirage à l'état fondu. Par conséquent, les méthodes de broyage conventionnelles ne permettent pas d'obtenir une poudre adaptée au SLS. La principale méthode de préparation de poudres polymères micrométriques est le broyage cryogénique. Cette méthode exploite la fragilité des matériaux polymères à basse température pour obtenir une poudre. Des polymères courants tels que le polystyrène, le polycarbonate, le polyéthylène, le polypropylène, les polyméthacrylates, le nylon, l'ABS et le polyester peuvent tous être réduits en poudre par broyage cryogénique.

Matériaux en poudre à base de céramique

Les matériaux céramiques ayant des points de fusion très élevés, leur fusion directe au laser est difficile. On utilise donc des méthodes indirectes pour la fabrication de pièces céramiques. Lors du frittage sélectif par laser (SLS), le laser fond le liant, qui agglomère la poudre céramique pour obtenir la forme souhaitée. Des étapes de post-traitement, telles que l'infiltration ou le pressage isostatique, permettent ensuite de conférer à la pièce céramique la densité et la résistance nécessaires. Un ajout insuffisant de liant compromet l'agglomération des particules céramiques et favorise le délaminage. À l'inverse, un excès de liant réduit la fraction volumique de céramique dans la pièce brute, ce qui peut entraîner des fissures, des retraits et des déformations lors du déliantage. L'ajout de liant peut se faire principalement par mélange mécanique ou par enduction. L'enduction est généralement réalisée par dissolution, précipitation ou évaporation de solvant.

Matériaux en poudre à base de métal

Le procédé SLS (Slaser Laser Fritting) consiste à former indirectement de la poudre métallique en mélangeant uniformément cette poudre avec une poudre polymère (liant). L'énergie du laser est absorbée par la poudre, ce qui provoque une élévation de température qui ramollit ou fait fondre le liant polymère, le transformant en un fluide visqueux. Ce procédé agglomère la poudre métallique pour former l'ébauche métallique. On obtient ensuite la pièce métallique finale par déliantage, frittage à haute température, infiltration métallique ou imprégnation de résine.

Par ailleurs, une autre méthode utilise des poudres métalliques à bas point de fusion, telles que le cuivre et l'étain, comme liants pour la fabrication de pièces métalliques composites. Ce type de liant reste présent dans la pièce crue après formage. Grâce à la haute résistance intrinsèque du liant métallique à bas point de fusion, la pièce crue présente une densité et une résistance élevées, permettant ainsi d'obtenir des pièces métalliques hautes performances sans déliantage ni frittage à haute température. Avec le développement de la technologie SLM, les recherches sur la fabrication de pièces métalliques par SLS sont devenues moins fréquentes.

Applications du frittage sélectif par laser

Modèles de moulage à la cire perdue

Grâce à l'équipement SLS à grande plateforme, il est possible de réaliser en quelques jours, voire quelques heures, des modèles de fonderie à cire perdue et des moules en sable de grande taille et de complexité accrue. Lors de la formation, sous une température de préchauffage prédéfinie, une couche de poudre est déposée sur la table de travail à l'aide d'un rouleau étaleur. Le faisceau laser, piloté par ordinateur, scanne ensuite la poudre dans les zones solides en fonction du profil de la section transversale du modèle ou du moule en sable. Cette opération porte la poudre à son point de fusion, fait fondre les joints de grains et agglomère les particules. La poudre dans les zones non frittées reste libre et sert de support à la pièce et à la couche suivante. Après la formation d'une couche, la table de travail descend d'une hauteur de couche, et la couche suivante est déposée et frittée. Ce cycle se répète pour former le modèle tridimensionnel et le moule en sable. Ces modèles et moules en sable, formés rapidement, sont ensuite utilisés en fonderie à cire perdue et en fonderie en sable pour produire des composants clés destinés à des secteurs importants tels que l'aérospatiale, la défense, la construction navale, l'automobile et la fabrication de machines-outils en Chine. Cette technique réduit le nombre d'étapes, raccourcit les cycles, diminue les coûts et permet d'atteindre l'objectif de « diviser par deux le coût et le temps de cycle » en fonderie, améliorant ainsi les technologies de fonderie traditionnelles. Par conséquent, l'utilisation du frittage sélectif par laser (SLS) pour la fabrication de noyaux de sable revêtus offre de vastes perspectives en fonderie.

Biofabrication

L'utilisation du frittage sélectif par laser (SLS) pour la fabrication de biopolymères destinés aux implants médicaux personnalisés et aux matrices d'ingénierie tissulaire représente actuellement un axe de recherche majeur dans ce domaine. Grâce à la conception assistée par ordinateur, la technologie SLS permet de produire des matrices tissulaires poreuses tridimensionnelles et des implants biologiques personnalisés aux propriétés structurelles et mécaniques contrôlables. Elle permet un contrôle précis de la porosité, de la forme et de la taille des pores, ainsi que de la structure externe, favorisant ainsi l'adhésion, la différenciation et la prolifération cellulaires et améliorant la biocompatibilité de la matrice. Actuellement, les biopolymères compatibles avec le SLS sont principalement des polymères synthétiques, tels que l'acide poly-L-lactique (PLLA), la polycaprolactone (PCL), le polyétheréthercétone (PEEK) et l'alcool polyvinylique (PVA). Ils sont souvent associés à des matériaux céramiques bioactifs comme l'hydroxyapatite (HAp) ou le phosphate tricalcique β (β-TCP) afin d'obtenir une bonne bioactivité.

Pièces fonctionnelles en polymère

Les pièces polymères formées par frittage laser sélectif (SLS) présentent de bonnes performances et peuvent être utilisées directement comme pièces fonctionnelles en plastique. Les matériaux utilisés pour le formage SLS sont principalement des thermoplastiques et leurs composites. Les thermoplastiques se divisent en deux catégories : cristallins et amorphes. Du fait de leurs propriétés thermiques totalement différentes, les paramètres de frittage laser et les performances des pièces varient considérablement.

Tolérances et capacités

Chez Getzshape, notre services d'impression 3D personnalisés Nous proposons quatre technologies principales : SLA, SLS, SLM et FDM. Nos tolérances et capacités d’impression 3D SLS sont indiquées ci-dessous.

Finitions de surface pour les composants imprimés SLS

TeintureLa teinture, méthode de coloration la plus efficace et économique, est principalement utilisée pour améliorer l'aspect esthétique des composants SLS. Elle garantit une pénétration uniforme de la couleur sans altérer les dimensions des pièces.

• Matériaux compatibles : PA12, PA12-GF, TPU
• Palette de couleurs : Noir, gammes Pantone et RAL

Peinture sprayPour les applications où la teinture est impossible ou lorsque des finitions spécifiques sont requises, la peinture au pistolet offre une alternative très polyvalente. Elle garantit une correspondance précise des couleurs et une couverture de surface supérieure pour un rendu haut de gamme.

• Matériaux compatibles : Tous les matériaux SLS
• Palette de couleurs : Noir, gammes Pantone et RAL

Lissage à la vapeurCe procédé affine et scelle la surface des pièces SLS grâce à un traitement chimique en phase vapeur. En éliminant la porosité de surface et en réduisant les points d'amorçage des fissures, il améliore considérablement les performances mécaniques, notamment l'allongement à la rupture, la résistance aux chocs et la résistance à la fatigue.

• Matériaux compatibles : PA12, TPU