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Sélection du procédé d'impression 3D le plus adapté

Des outils de prise de décision et des conseils généraux pour vous aider à sélectionner le bon procédé d'impression en 3D pour votre application.

Written by Alkaios Bournias Varotsis

Selecting the right 3D printing process

Introduction

L'impression 3D ou fabrication additive est un terme générique qui englobe de multiples procédés de fabrication. Chaque procédé d'impression 3D a ses avantages et ses limites et l'un peut être plus adapté à certaines applications qu'un autre.

Dans cet article, nous vous proposons plusieurs outils faciles à utiliser pour vous aider à sélectionner le processus d'impression 3D qui répond à vos besoins. Utilisez les graphiques et tableaux suivants comme référence rapide pour identifier le procédé qui répond le mieux à vos exigences en matière de conception.

Nous avons abordé le choix du procédé sous trois angles différents :

Afin de rendre les informations contenues dans cet article exploitables pour le lecteur et toujours pertinentes dans le paysage de l'impression 3D en constante évolution, quelques généralisations ont été introduites qui seront discutées dans chaque section si nécessaire.

Sélection d'un procédé par matière

Les matériaux en impression 3D se présentent généralement sous forme de filaments, de poudre ou de résine (selon les procédés d'impression 3D utilisés). Les polymères (plastiques) et les métaux sont les deux principaux groupes de matériaux en impression 3D, bien que d'autres matières (tels que les céramiques ou les composites) soient également disponibles. Les polymères peuvent être scindés en deux groupes, les thermoplastiques et les thermodurcissables.

Si le matériau requis est déjà connu, le choix d'un procédé d'impression 3D est relativement facile, car seules quelques technologies produisent des pièces à partir des mêmes matériaux. Dans ces cas, le processus de sélection devient généralement une comparaison entre les coûts et les propriétés.

Thermoplastiques :

Les thermoplastiques sont les mieux adaptés aux applications fonctionnelles, y compris la fabrication de pièces et de prototypes fonctionnels.

Ils ont de bonnes propriétés mécaniques et une grande résistance aux chocs, à l'abrasion et aux produits chimiques. Ils peuvent également être remplis de carbone, de verre ou d'autres additifs pour améliorer leurs propriétés physiques. Les thermoplastiques techniques imprimés en 3D (tels que le nylon, le PEI et l'ASA) sont largement utilisés pour produire des pièces fonctionnelles pour des applications industrielles.

Les pièces obtenues avec le procédé SLS ont de meilleures propriétés mécaniques et physiques et une plus grande précision dimensionnelle, mais les pièces issues du procédé FDM sont plus économiques et ont des délais de fabrication plus courts.

Thermoplastiques d'impression 3D classiques
SLS Nylon (PA), TPU
FDM PLA, ABS, PETG, Nylon, PEI (ULTEM), ASA, TPU

La pyramide ci-dessous montre les matériaux thermoplastiques les plus courants pour l'impression 3D. En règle générale, plus un matériau est haut dans la pyramide, meilleures sont ses propriétés mécaniques et plus il est généralement difficile à imprimer (coût plus élevé) :

Thermodurcissables (résines) :

Les plastiques thermodurcissables (résines) sont mieux adaptés aux applications où l'esthétique est importante, car ils permettent de produire des pièces avec des surfaces lisses comme en injection plastique et des détails fins.

En général, ils ont une grande rigidité mais sont plus fragiles que les thermoplastiques, et ne conviennent donc pas aux applications fonctionnelles. Il existe des résines spéciales conçues pour des applications techniques (imitant les propriétés de l'ABS et du PP) ou pour des inserts dentaires et des implants.

Le dépôt de matière produit des pièces avec une précision dimensionnelle supérieure et des surfaces généralement plus lisses, mais à un coût plus élevé que le procédé SLA/DLP. Les deux procédés utilisent des résines acryliques photodurcissables similaires.

Thermodurcissables (résines) classiques en impression 3D
Dépôt de matière Résine standard, Digital ABS, résine durable (type PP), résine transparente, résine dentaire
SLA/DLP Résine standard, résine résistante (type ABS), résine durable (type PP), résine transparente, résine dentaire
Métaux :

Les pièces métalliques imprimées en 3D ont d'excellentes propriétés mécaniques et peuvent être utilisées à des températures élevées. Les capacités de liberté de forme de l'impression 3D les rendent idéales pour les applications des industries aérospatiale et médicale nécessitant des pièces légères.

Les pièces DMLS/SLM ont des propriétés mécaniques supérieures et de meilleures tolérances, mais le procédé par jet de liant peut être jusqu'à 10 fois moins chères et est capable de produire des pièces beaucoup plus grandes.

Métaux classiques en impression 3D
DMLS/SLM Acier inoxydable, titane, alliage d'aluminium
Jet de liant Acier inoxydable (au bronze ou fritté)
Autres matières :

D'autres matières peuvent également être imprimées en 3D, mais elles ne sont pas aussi largement utilisées, car leurs applications sont limitées. Ces matériaux comprennent la céramique et le grès coloré dans la masse avec le procédé par jet de liant.

Autres matériaux d'impression 3D
Jet de liant Sable, céramiques
Conseil pro :

En raison de la nature additive de la technologie, les pièces imprimées en 3D auront souvent des propriétés mécaniques anisotropes, ce qui signifie qu'elles seront moins résistantes dans la direction z. Pour les pièces fonctionnelles, cette caractéristique doit être prise en compte lors de la conception.

Par exemple, voir les différences des propriétés du nylon SLS par rapport au nylon classique dans cet article.

Un support test imprimé dans une gamme de différents matériaux en 3D

Sélection d'un processus par cas d'emploi

Il est important de déterminer dès le début du processus de sélection si la principale considération en matière de conception est la fonction ou l'aspect visuel. Cela facilitera grandement le choix du processus le plus approprié.

En règle générale, les pièces en polymère thermoplastique sont mieux adaptées aux applications fonctionnelles, tandis que les thermodurcissables sont mieux adaptés en termes d'aspect visuel.

Fonctionnalité :

L'organigramme ci-dessous peut vous aider à identifier le procédé d'impression 3D le plus approprié en fonction des exigences de conception courantes pour les pièces fonctionnelles et les prototypes.

Voici quelques détails supplémentaires :

  • Lors de la conception d'une pièce ou d'un prototype qui interférera avec d'autres composants, il est important de définir le niveau de tolérance nécessaire. En règle générale, le choix d'un processus ayant une précision dimensionnelle plus élevée augmentera le coût. Une autre option consiste à terminer les éléments de dimensions critiques ou de petits détails après l'impression 3D (par exemple en perçant des trous ou en taraudant des filets).
  • La résistance globale des pièces dépend de différentes propriétés mécaniques et physiques. Pour simplifier la sélection, la résistance à la traction du matériau peut servir de guide. Lorsqu'une résistance et une rigidité élevées sont requises, l'impression 3D métallique ou l'impression FDM renforcée par des fibres de carbone continues sont les meilleures solutions.
  • Les matériaux d'impression 3D techniques sont disponibles avec des propriétés spéciales, telles que la résistance à la chaleur, la résistance au feu, la résistance chimique ou qui sont certifiés comme biocompatibles ou alimentaires.
  • La flexibilité peut être définie soit comme un allongement à la rupture élevé, et ainsi des thermoplastiques tels que le TPU sont disponibles en SLS et FDM, soit comme une faible dureté, et des matériaux ayant un toucher semblable au caoutchouc sont disponibles pour le SLA/DLP et le Dépôt de matière.
Un outil fonctionnel pour vélo imprimé en nylon chargé en carbone par SLS.

Par courtoisie de Rehook

Aspect visuel :

Lorsque l'aspect visuel est la principale préoccupation, le choix du procédé d'impression 3D peut être simplifié à l'aide de l'organigramme ci-dessous.

Voici quelques informations supplémentaires :

  • Les procédés SLA/DLP et dépôt de matière peuvent tous deux produire des pièces avec un fini de surface lisse, semblable à celui du moulage par injection. La principale différence entre les deux procédés (hormis le coût) est que le support en dépôt de matière est soluble, tandis que dans le procédé SLA/DLP, il doit être enlevé manuellement après l'impression, laissant de petites marques sur la surface qui doivent recevoir une finition (sanded or polished) (sablées ou polies).
  • Le procédé par dépôt de matière produit des pièces entièrement transparentes, tandis que les pièces SLA/DLP sont imprimées de manière semi-transparente et peuvent être post-traitées pour être transparentes à presque 100%.
  • Les pièces présentant une texture spéciale, comme une finition semblable à celle du bois ou du métal, peuvent être imprimées à l'aide de filaments FDM woodfill ou metalfill. Les pièces de type caoutchouc sont souples (dureté shore < 70A) et peuvent se plier et se comprimer, mais n'atteignent pas les performances du vrai caoutchouc.
  • Le dépôt de matière et le jet de liant sont les seuls procédés d'impression 3D qui offrent actuellement des capacités d'impression en couleur dans la masse. Le dépôt de matière présente l'avantage d'offrir des matériaux aux propriétés physiques meilleures ainsi que des capacités multi-matériaux. Une autre option consiste à apprêter et à peindre les modèles après l'impression ou à utiliser une imprimante FDM avec la capacité d'extrusion double (pour deux couleurs seulement).
Modèle d'un Cyborg imprimé en 3D en jet de matière après peinture

Par courtoisie de Factor 31

Sélection d'un procédé selon les capacités de fabrication

Lorsque la conception du modèle est finalisée, les capacités de chaque technologie d'impression 3D jouent souvent le rôle principal dans la sélection du processus.

Il est important d'avoir une vue d'ensemble des mécanismes fondamentaux de chaque procédé pour bien comprendre leurs principaux avantages et limites. Pour cela, voir les articles d'introduction consacrés à chaque technologie dans le chapitre suivant de la base de connaissances.

Voici quelques règles pratiques pour vous aider à interpréter les données :

  • La précision dimensionnelle est liée au niveau de détail que chaque procédé peut atteindre et à la qualité de construction de chaque imprimante 3D. Les procédés qui offrent une plus grande précision permettent généralement de créer des pièces avec des détails plus fins. Les machines de qualité industrielle ont une précision et une reproductibilité supérieures à celles des imprimantes de bureau.
  • Le volume de construction détermine les dimensions maximales d'une pièce qu'une imprimante peut produire. Pour les composants qui dépassent la taille de construction classique, envisagez de migrer vers une technologie alternative ou de diviser la pièce en plusieurs composants qui peuvent être assemblés ultérieurement.
  • Le besoin de structures de support détermine le niveau de liberté de conception. Les processus qui ne nécessitent aucun support, comme le procédé SLS, ou un support soluble, comme dépôt de matière ou la double extrusion FDM (industrielle ou de bureau), ont moins de limites et peuvent produire des structures dotées de formes libres avec une plus grande facilité.
Précision dimensionnelle Volume de construction classique Support
FDM ± 0,5 % (limite inférieure ± 0,5 mm) - imprimante de bureau ± 0,15 % (limite inférieure ± 0,2 mm) - machine industrielle 200 x 200 x 200 mm pour les imprimantes de bureau Jusqu'à 900 x 600 x 900 mm pour les imprimantes industrielles Pas toujours nécessaire (soluble disponible)
SLA/DLP ± 0,5 % (limite inférieure : ± 0,10 mm) - imprimante de bureau ± 0,15 % (limite inférieure ± 0,05 mm) - machine industrielle 145 x 145 x 175 mm pour les imprimantes de bureau Jusqu'à 1500 x 750 x 500 mm pour les imprimantes industrielles Toujours nécessaire
SLS ± 0,3 % (limite inférieure : ± 0,3 mm) 300 x 300 x 300 mm (jusqu'à 750 x 550 x 550 mm) Non requis
Dépôt de matière ± 0,1 % (limite inférieure de ± 0,05 mm) 380 x 250 x 200 mm (jusqu'à 1000 x 800 x 500 mm) Toujours nécessaire (toujours soluble)
Jet de liant ± 0,2 mm (± 0,3 mm pour l'impression au sable) 400 x 250 x 250 mm (jusqu'à 1800 x 1000 x 700 mm) Non requis
DMLS/SLM ± 0,1 mm 250 x 150 x 150 mm (jusqu'à 500 x 280 x 360 mm) Toujours nécessaire

Épaisseur de couche

Un autre aspect important à prendre en compte lors du choix d'une technologie est l'impact de l'épaisseur de couche.

En raison de la nature additive de l'impression 3D, l'épaisseur de couche détermine la rugosité de la pièce en sortie d'impression et la taille minimale des éléments qu'une imprimante peut produire (dans la direction z). L'utilisation d'une épisseur de couche plus faible rend également l'effet d'escalier moins important et permet de produire des surfaces courbes plus précises.

Épaisseur de couche classique
FDM 50 - 400 μm (le plus courant : 200 μm)
SLA/DLP 25 - 100 μm (le plus courant : 50 μm)
SLS 80 - 120 μm (le plus courant : 100 μm)
Dépôt de matière 16 - 30 μm (le plus courant : 16 μm)
Jet de liant 100 μm
DMLS/SLM 30 - 50 μm

Règles de base

  • Déterminez dès le début du processus de sélection si la fonctionnalité ou l'aspect visuel est la priorité principale.
  • Lorsque plusieurs procédés peuvent produire des pièces dans le même matériau, le processus de sélection se résume à une comparaison des coûts par rapport aux propriétés.
  • Pour les pièces fonctionnelles en polymères, préférez les thermoplastiques (en SLS ou FDM) aux thermodurcissables.
  • Concernant l'aspect visuel et l'esthétique, les thermodurcissables (en SLA/DLP ou Dépôt de matière) sont la meilleure option.
  • Pour les pièces métalliques, choisissez le procédé DMLS/SLM pour les applications à haute performance et le jet de liant pour les pièces de plus grande taille et à moindre coût.
  • Pour les pièces fonctionnelles en métal ou en plastique, envisagez également l'usinage CNC.

Ressources consacrées à l’usinage CNC destinées aux ingénieurs

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