Gros Plan sur la technologie SLA

L’impression 3D est née dans les années 80 via la mise en application de deux grandes technologies: les procédés SLA (Stereo Lithography Apparatus) et SLS (Selective Laser Sintering). Au début des années 80, l’impression 3D fait ses premiers pas avec le procédé SLA qui utilise une résine photodurcissable comme matière première. Puis, à la fin des années 80 le procédé SLS fait son apparition. Le SLS, ou Frittage Sélectif par Laser (FSL) en français, utilise une matière première différente: la poudre. Ces deux technologies réservées aux professionnels rendent l’impression 3D longtemps inaccessible du grand public. C’est une troisième technologie apparue dans les années 90, le FMD (Fused Deposition Modeling) ou Dépôt de Filament Fondu (DFF) en français, qui va rendre l’impression 3D plus accessible.

Nous nous intéressons aujourd’hui au procédé SLA, premier né des machines de prototypage rapide basées sur la photo-polymérisation de résine sous lumière UV. Cette technologie permet d’obtenir des pièces extrêmement précises, de l’ordre du dixième de microns. La stéréo lithographie utilisée par l’impression SLA est un procédé mettant en œuvre une lumière UV qui va venir balayer la surface d’un bac de résine photosensible. La résine va alors polymérisée sous l’action de la lumière UV (paramètres de temps d’exposition), passant de l’état liquide à l’état solide. Une fois le motif polymérisé, le plateau de support se déplace sur la hauteur d’une distance définie par l’utilisateur (paramètres de tranchage) afin d’imprimer une autre strate de l’objet. L’association de toutes les strates génère un objet en 3D. A noter, plusieurs types de résines peuvent être mise en œuvre, chacune liée à un processus métier défini et répondant à des besoins spécifiques. 

Obtention d’un modèle 3D

Comme pour une impression papier, l’imprimante 3D ne peut fonctionner sans un fichier initial qui va lui indiquer quoi imprimer. Le type de fichier couramment utilisé pour l’impression 3D est le format *.stl, pour stéréolithographie. Il existe différents moyens d’obtenir ce type de fichier, que nous vous présentons ci-après.

Téléchargement internet

De nombreux sites proposent des téléchargements de fichiers pour impression 3D comme Cults3D, Thingiverse, ou encore Yeggi. A noter, Yeggi est un méta-moteur de recherche qui vous permettra de trouver votre bonheur. Si le téléchargement permet d’obtenir des modèles 3D facilement, il est néanmoins nécessaire de prendre quelques précautions pour leur utilisation:

Attention aux modèles créas par des amateurs. Ces modèles peuvent comporter de nombreuses anomalies qu’il vous faudra corriger (cf paragraphe suivant).

Attention à la propriété intellectuelle des fichiers. Souvent déposés sous licence Creatives Commons, vous n’avez pas le droit de faire ce que vous voulez avec ces modèles, notamment d’un point de vue commercial. 

Scans

Scanner un objet pour le répliquer sur votre machine est une approche très séduisante. De nombreuses technologies fleurissent sur le marché afin de reproduire des objets, mais attention à ne pas oublier le post traitement du fichier 3D. En effet, même si l’approche semble simple, le maillage créé par un scanner 3D n’est pas optimal et peu générer des anomalies dans le fichier 3D. Si la méthode de scan est adaptée pour les pièces complexes, il sera bien souvent plus rapide de recréer une pièce soi-même via l’utilisation d’un soft 3D, plutôt que de scanner l’objet, puis de réparer le fichier 3D. Attention également aux brevets lors de la réplication d’objets: la commercialisation de pièces de réparations ou la simple duplication d’objets peut entraîner des sanctions pénales lourdes. L’investissement d’un scanner 3D doit donc être mûrement réfléchi et réservé pour des applications spécifiques.

Création de fichier

Si vous ne voulez pas être soumis aux licences, aux brevets ou encore aux problématiques de maillage nécessitant parfois de longues heures de modifications, il vous reste une alternative: la Conception Assisté par Ordinateur (CAO). Si vous êtes prêt à sacrifier quelques heures pour l’apprentissage d’un soft 3D, vous pourrez gagner en efficacité et satisfaction sur l’impression 3D. En effet, vous pourrez réaliser vous-même les objets et pièces dont vous avez besoins sans vous soucier des brevets et licences. Il vous sera aussi possible d’optimiser directement le maillage (nombres de points / nombre de polygones) de l’objet lors de sa création en fonction des caractéristiques techniques de votre imprimante, vous assurant gain de temps et précision. De nombreux logiciels pour la 3D existent en fonction de vos besoins:

Logiciels gratuits et/ou libres d’utilisation: Google Sketch Up, Open CAD, Gimp.

Logiciels propriétaires: Cinéma 4D, Z Brush, SolidWorks, RhinoGold, Matrix V.8. 

Export du modèle 3D pour impression : le format STL

Comme énoncé dans le paragraphe précédent, le fichier standard utilisé est le format *.stl. La majorité des soft 3D permettent un export de votre modèle 3D natif en format *.stl. Le format *.stl n’est, ni plus, ni moins, que les coordonnées des points de références de votre maillage. Ces coordonnées permettent le déplacement du laser pour la technologie SLA ou la projection du motif pour la technologie DLP, technologie microSLA que nous détaillerons plus tard.

Vérification du fichier : Les fondamentaux

Que vous téléchargiez un fichier, scanniez un objet ou créiez une pièce à l’aide d’un soft 3D, il est important de vérifier quelques éléments points avant le lancement de l’impression.

Absence de trou dans le maillage

Vous souhaitez imprimer un objet composé de parties pleines et de parties vides finis? Lors du découpage en tranche de votre modèle 3D, le logiciel détermine le tracé en fonction des arrêtes rencontrées et de leur orientations (cf point ci-dessous sur les normales). S’il subsiste des trous dans votre maillage, votre objet 3D n’est pas constitué d’ensembles finis. Vous obtiendrez alors au mieux des aberrations lors de l’impression de vos pièces, au pire vous ne pourrez pas l’imprimer.

Orientation des polygones selon les normales

Les normales permettent de déterminer les faces internes et externes d’un polygone. Selon la logique exprimée ci-dessus, cela permet au logiciel de tranchage de définir s’il doit remplir la surface ou non. Vous comprendrez aisément qu’une mauvaise orientation de vos polygones aura des conséquences similaires aux trous dans le maillage.

Voici les logiciels, gratuits ou payants, vous permettant de réaliser ces opérations: Magics, Nefabb, MeshLab.

Impression 3D

Préparation de l’impression

Positionnement

Lors du lancement d’une impression, vous pouvez choisir d’imprimer une pièce unique ou un ensemble de pièces. Quel que soit votre choix, il vous faut configurer la position des pièces  afin d’avoir un ensemble homogène. Quelques règles sont à respecter pour une belle impression :

                • Ne pas dépasser le volume d’impression
                • Laisser suffisamment d’espace entre vos pièces pour éviter qu’elles ne se touchent.
                • Orienter vos pièces de manières à réduire le temps d’impression, faciliter la génération de supports et assurer une accroche suffisante à votre plateau d’impression.

Génération de supports

Les supports sont une perte de matières, néanmoins nécessaire pour la réalisation de vos pièces sans qu’elles ne soient déformées ou qu’elles ne tombent dans votre bac de résine. Le choix de la quantité de support est un paramètre important influant sur le temps de post traitement. A l’instar des supports, le choix de la surface de fixation au plateau est essentiel à la bonne adhérence de votre impression.

Paramétrages basiques (tranchage et temps d’exposition)

Le tranchage et le temps d’expositions sont deux paramètres important à maîtriser qui définiront d’une part la précision de votre objet, et d’autre part le temps d’impression. Par définition, plus votre tranchage est fin, plus l’état de surface de votre pièce sera appréciable : à 10 micron, le tranchage n’est plus perceptible à l’œil nu alors qu’à 50 microns, nous pouvons observer une légère stratification des pièces. 

En combinaison à la finesse du tranchage, le choix de temps d’exposition est un paramètre à maîtriser impérativement. Une exposition trop courte ne laissera pas le temps à la matière de polymériser, alors qu’une exposition trop longue aura pour effet de perdre en précision par diffraction de la lumière. 

A noter, la majorité des résines sont des résines propriétaires pour lesquelles ces paramètres sont défini par le fabricant.

Lancement de l’impression

Ça y est votre modèle 3D est prêt ! Vous l’avez vérifié et vous avez paramétré votre machine. Vous lancez l’impression…il n’y a plus qu’à attendre en surveillant le processus de temps en temps afin de vérifier que vos pièces adhèrent bien au plateau ou qu’il n’y ait pas de résidu solides flottant dans la résine.

Profitons-en pour parler des différentes techniques de stéréo lithographie : 

Le premier né, l’impression SLA 

Un laser UV balaye la surface du bac de résine tandis que le plateau d’impression s’immerge au fur et à mesure de l’impression.

Le procédé de la stéréolithographie. Source L’imprimante 3D – Une révolution en marche. Favre

stéréolithographie section

Exemple d’impression sur la Technologie DLP Moving Light de Prodways présent sur le Salon 3D Print.

ImpressionSLA

Le procédé DLP (Digital Light Processing), ou micro SLA

Un rétro projecteur flash l’intégralité de la surface inférieure du bac de résine tandis que le plateau de support monte hors du bac de résine pour former l’objet couche par couche.
Plateau Impression gris

Post production

Votre impression s’est déroulée correctement, bravo ! Mais ce n’est pas fini, il vous reste encore quelques étapes avant d’obtenir votre pièce…

Rinçage

Quel que soit le type de SLA utilisé, votre pièce est recouverte par de la résine liquide, notamment dans les interstices des pièces complexes. D’aspect « poisseuses », l’utilisation d’un bac à ultrason rempli en propanol vous permettra d’éliminer les excédents de résine liquide sur vos pièces.

Élimination des supports

Une fois votre pièce rincée, vous pouvez éliminer les supports à l’aide d’une pince coupante. Profitez-en pour analyser le résultat d’impression on observant les éventuelles anomalies structurelles de votre impression. Vous pourrez ainsi déterminer si ces anomalies proviennent de l’impression (paramétrage de l’imprimante à optimiser) ou de votre fichier 3D (maillage à optimiser).

Four à UV

Le four à UV a pour rôle de finaliser la polymérisation de l’ensemble du volume. Améliorant l’aspect de surface, il permet de durcir votre objet rapidement pour corriger les quelques défauts restant (limage des bouts de supports restant suite à la découpe).

Les application métiers de la technologie SLA et les résines disponibles

L’impression SLA est tout à fait adaptée à certains métiers, notamment pour l’utilisation de résine dites « castables« . Ces résines « fondables » permettent de créer des moules unitaires pour la micro fonderie. Ce sont les secteurs de la bijouterie et du dentaire (prothèses) qui utilisent couramment cette technologie dans l’objectif de créer des objets uniques. Au-delà de ces deux grands secteurs industriels, la technologie SLA est aussi utilisée dans les bureaux d’études pour traiter des matériaux souples ou biocompatibles (ex : appareillages auditifs).

A chaque métier sa résine, puisque de nombreuses résines existent. Que ce soit des résines simples permettant de générer des prototypes de validation ou des résines castables permettant la création de moule unitaire, il est facile de trouver le matériau répondant à ses besoins. Les résines souples viennent compléter la gamme avec une application ciblées aux bureaux d’études et à la fabrication de matériaux auditifs.

La gamme des résines est de plus en plus large, beaucoup reste à faire pour adapter aux besoins metiers.

Bouteilles consommable resine SLA

Conclusion

La technologie SLA, première technologie d’impression 3D développée, a connu une certaine évolution au cours du temps. Les premières machines fonctionnaient par balayage laser permettant la production de pièces pleines de grands volumes. En effet, le déplacement du motif 3D se faisant au sein du bac de résine, toutes pièces creuses seraient remplies de résines liquides. C’est avec la seconde technologie DLP, aussi appelée microSLA, que l’impression des pièces devient plus rapide grâce à un flash intégrale de la surface de travail. Cette technologie permet d’imprimer des objets creux de petites dimensions, ce qui la rend tout à fait adaptée aux bijoutiers et prothésistes dentaires

 

Aujourd’hui une nouvelle technologie est en cours d’étude. Portée par la société Carbone 3D (http://carbon3d.com/), cette technologie utilise le principe de la microSLA (DLP) et a pour objectif de permettre une impression en continue. Selon la société Carbone 3D, cette impression en continue serait rendu possible grâce à la mise au point d’un bac de résine permettant d’avoir une couche d’air en fond de cuve, ce qui catalyserait la polymérisation. A titre de comparaison, c’est comme si l’on passait de la projection de photo à une projection de film ! La firme annonce une vitesse d’impression 25 à 100 fois plus rapide que n’importe qu’elle autre technologie d’impression 3D… Nous serons au rendez-vous !

Adrien Lemardeley
Testeur Rédacteur F3DF

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