Impression 3D : des pièces parfaitement fonctionnelles grâce au frittage sélectif par laser

 

 

Le frittage est l’opération consistant à appliquer de la chaleur et/ou à exercer une pression pour faire fondre des morceaux de métal, de céramique ou d’autres matières en une masse solide. Cela n’a rien de bien nouveau. En effet, la nature agrège des minéraux sédimentaires pour former de l’ardoise et du quartzite depuis la nuit des temps et cela fait plusieurs millénaires que l’Homme a commencé à utiliser des techniques similaires pour fabriquer des briques et de la porcelaine. Aujourd’hui, le frittage sert à fabriquer toutes sortes d’objets, des engrenages aux bielles en passant par les pignons et les roulements. Il est également utilisé pour imprimer des pièces en 3D.

Le frittage sélectif par laser (SLS) est un proche cousin du frittage laser direct de métal (DMLS), mais il produit des pièces en plastique et non en métal. Le SLS utilise un laser à CO2 commandé par ordinateur, contrairement au DMLS qui utilise un laser ND:YAG à fibre, mais tous deux « dessinent » différentes tranches d’un modèle de CAO sur un lit de matière, en faisant fondre des particules micrométriques couche après couche.

Le SLS n’a pas besoin des supports de fabrication nécessaires pour le DMLS, mais contrairement à la stéréolithographie (SL) — troisième procédé d'impression 3D par fusion laser disponible chez Proto Labs —, le SLS crée des pièces parfaitement fonctionnelles à partir de nylon technique et c’est pratiquement la seule technologie d'impression 3D capable de fabriquer des charnières souples et des assemblages à clipser. (Ces éléments peuvent être produits par SL, mais ils seront beaucoup plus fragiles et n’auront pas la durée de vie de ceux produits par SLS.) Le SLS constitue donc une excellente solution pour prototyper des produits moulés par injection et il offre même, dans certains cas, une alternative au moulage de petites séries.

Enraciné dans le nylon

Comme pour tout procédé additif, il est important d’appréhender les nombreux paramètres de conception applicables au SLS. L’un d’eux est la matière. Malgré leurs utilisations très variées, toutes les pièces produites par SLS se limitent actuellement à un seul type de matière : les nylons (les mêmes thermoplastiques que ceux utilisés pour fabriquer les fixations, les gilets pare-balles, les poêles à frire et des milliers d’autres objets du quotidien). Proto Labs propose deux qualités différentes de ces polymères multi-usages :

  • PA 2200 blanc : Proche d’un Nylon 12 non chargé, le PA 2200 est à la fois rigide et robuste. Il est largement utilisé pour fabriquer des conduits de circulation d’air, des articles de sport ou des produits similaires. Il permet d’obtenir une finition blanche soignée, mais la texture de surface est légèrement plus rugueuse qu’avec les autres nylons. Il présente une haute résistance au choc et à la température, est très durable et reste stable dans différentes conditions environnementales. Par ailleurs, grâce à son faible coefficient de frottement, le Nylon 12 convient à la fabrication de nombreux types d’engrenages et de roulements.
  • De nouvelles matières sont développés constamment, donnant ainsi plus de choix à nos clients. Cliquez ici pour voir toutes les matières proposées par Proto Labs.

SLS Matériaux

Gestion de la fabrication

Les nylons proposés par Proto Labs font partis de nylons les plus utilisés et couvrent un grand nombre d’applications différentes. On assiste également à une progression des variantes chargées de fibres minérales et de verre. Cependant, en matière de conception de pièces, l’efficacité va bien au-delà du choix de la matière : pour une pièce de bonne qualité, il est essentiel de maîtriser l’ondulation pendant la fabrication et la déformation après la fabrication, deux défauts courants en impression 3D.

processus SLS

La maîtrise de ces défauts revient essentiellement à Proto Labs. Pour garantir la qualité des pièces, nos techniciens vont souvent les incliner légèrement dans la chambre de fabrication. Par exemple, si vous concevez un boîtier pour une console de jeu portable, il suffira probablement d’appliquer un angle composé de 10 à 15 degrés sur les axes X et Y pendant la fabrication pour que les parois restent perpendiculaires et que le couvercle du boîtier s’ajuste en douceur. Il convient de signaler que cette technique peut créer un aspect « crénelé » et qu’il est donc important d’identifier les surfaces cosmétiques au moment de l’envoi de votre conception à Proto Labs pour devis et analyse.

Pour les pièces particulièrement exigeantes, il est possible d’ajouter des nervures afin de renforcer les grandes surfaces plates. Ainsi, dans notre exemple de console portable, si la conception prévoit un couvercle mince, l’application d’un motif en nid-d’abeilles ou en damier sur la surface intérieure permettra, d’une part, de renforcer le couvercle et, d’autre part, de limiter les coûts de matière ainsi que la déformation potentielle.

Il n’est jamais trop tôt pour améliorer la moulabilité

Bon nombre des règles qui s’appliquent au moulage par injection sont également valables en SLS, ce qui en fait un choix judicieux pour les pièces destinées à être moulées. Utiliser des colonnettes de support et des bossages évidés et éviter les sections épaisses font partie des bonnes pratiques applicables à ces deux procédés de fabrication. Parmi les autres paramètres de conception à prendre en compte, on retiendra :

  • l’ajout d’angles arrondis à la jonction de deux parois pour réduire les contraintes
  • une épaisseur de paroi uniforme, l’épaisseur recommandée étant comprise entre 1,5 mm et 3,8 mm pour réduire l’ondulation pendant la fabrication et la déformation potentielle
  • l’intégration de nervures pour limiter la déformation

domée Corners

Lorsque les pièces moulées par injection peuvent contenir des manchons en métal surmoulés ou des inserts filetés, les pièces produites par SLS peuvent offrir des fonctionnalités comparables grâce à la pose d’inserts à chaud. Dans notre exemple de console portable, des inserts filetés peuvent être posés à chaud, lors d’une opération secondaire, à chaque angle du boîtier afin de renforcer l’ensemble.

Aspect et toucher

Le SLS donne un état de surface légèrement plus rugueux que les autres technologies d'impression 3D (de 100 à 250 RMS), mais le résultat obtenu sur la plupart des prototypes fonctionnels reste relativement correct. Par ailleurs, Proto Labs microbille la plupart des pièces de ses clients, pour éliminer la poudre non agglomérée et créer une finition mate et lisse. Les textes très fins sont un autre aspect à prendre en compte. En effet, la taille minimale des détails est de 0,76 mm en SLS, si bien que les très petites polices ont tendance à s’engorger de poudre, rendant les lettres et les chiffres moins lisibles. L’utilisation de textes en relief donne de meilleurs résultats tout en restant limitée, la taille minimale des détails ne pouvant être inférieure à environ 0,5 mm. Enfin, le SLS est légèrement moins précis que les procédés de frittage laser concurrents : alors que le DMLS a des tolérances prévisibles de ± 0,1 mm plus 0,001 mm/mm sur les pièces métalliques, le SLS offre généralement une précision de ± 0,25 mm plus ± 0,001 mm/mm. Sur les pièces bien conçues.

Ici, l’atout du SLS est son châssis de fabrication de 700mm by 380mm by 580mm, nettement plus grand que celui du DMLS. De plus, l’absence de supports de fabrication permet d’utiliser l’ensemble du lit de poudre, et donc, d’imbriquer facilement plusieurs pièces en une seule fabrication. Le SLS constitue ainsi une alternative viable au plastique usiné, transition logique vers le moulage par injection, et une excellente solution pour produire des pièces en nylon fonctionnelles en plus grandes séries que ne le permet généralement l'impression 3D.

Pour de plus amples informations sur le SLS, lisez les recommandations de conception de Proto Labs et, si vous avez la moindre question, n’hésitez pas à contacter un ingénieur de notre service clientèle sur customerservice@protolabs.fr ou au ++33(0)4 27 50 29 47.