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Le frittage laser sélectif (ou SLS pour Selective Laser Sintering) est un procédé de fabrication addtive par laquelle un laser vient chauffer et fusionner une poudre en un matériau solide basé sur un modèle 3D numérique. Le SLS est un choix populaire parmi les ingénieurs qui font du développement produit depuis plusieurs dizaines d'années. Sa grande productivité, coût par pièce compétitif, ainsi que ses matériaux éprouvés font de cette technologie le choix idéal pour une large gamme d'applications, du prototypage fonctionnel à de petits volumes de production industrielle.
Les progrès récents des machines, des matériaux et des logiciels ont rendu le SLS accessible à une plus grande gamme d’entreprises, et a démocratisé l’utilisation d’outils qui étaient auparavant limités à quelques entreprises opérant dans le domaine technologique.

Dans ce guide, nous expliquerons le processus de SLS, les différents systèmes et matériaux disponibles sur le marché, et les critères à prendre en considération avant de privilégier le frittage sélectif par laser par rapport aux méthodes de fabrication additives et traditionnelles.

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Le frittage sélectif par laser (SLS) est l’une des premières techniques de fabrication additive, développée au milieu des années 80 par le Dr. Carl Deckard et le Dr. Joe Beaman à l’université du Texas à Austin. Leur méthode a depuis été adaptée pour fonctionner avec une gamme de matériaux, y compris les plastiques, les métaux, le verre, la céramique et les différentes poudres de matériaux composites. Aujourd'hui, ces technologies sont collectivement classées comme procédés de fabrication additive à fusion de lit de poudre au cours desquels l'énergie thermique fait fusionner de manière sélective des zones spécifiques d’un lit de poudre.

Les deux principaux systèmes à fusion de lit de poudre disponibles aujourd'hui sont les systèmes utilisant le plastique, et les systèmes utilisant les métaux, connus sous le nom de frittage laser direct de métal (FLDM) ou la fusion sélective par laser (SLS). Jusqu’à récemment, ces deux types de systèmes avaient un coût et une complexité prohibitifs, ce qui a limité leur utilisation aux petites quantités de pièces personnalisées ou à valeur élevées, telles que les composants aéronautiques ou les appareils médicaux.

On assiste à une vague d'innovations dans ce secteur dernièrement, et les technologies de SLS basées sur les matériaux plastiques sont sur le point de suivre le même chemin que les autres Mattel Matchbox 2009, '61 Jaguar E-Type Coupe Yellow 9, Heritage Classics 1:64 Scale | être Dans L'utilisation ,, telle la stéréolithographie (SLA) et le dépôt de fil fondu (FDM), et d'être adoptées par le grand public grâce a des systèmes plus compacts et abordables.

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Les imprimantes 3D SLS utilisent un laser haute puissance pour faire fusionner de petites particules de poudre polymère.

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  1. La poudre est distribuée en fine couche au dessus d'une plateforme à l’intérieur de la chambre de fabrication.
  2. L’imprimante préchauffe la poudre à une température légèrement inférieure au point de fusion du matériau brut. Ce préchauffage permet au laser d’augmenter plus facilement la température de zones spécifiques du lit de poudre au fur et à mesure que ce dernier trace la forme du modèle pour solidifier la pièce.
  3. Le laser balaye une section transversale du modèle 3D, tout en chauffant la poudre à une température légèrement inférieure ou égale au point de fusion du matériau. Ainsi, les particules fusionnent mécaniquement pour créer une pièce solide. La poudre non fusionnée sert de support pour la pièce pendant l’impression et élimine le besoin de structures de support dédiées.
  4. La plateforme s’abaisse d'une seule couche dans la chambre de fabrication, typiquement entre 50 et 200 microns, puis un réenducteur applique une nouvelle couche de poudre par-dessus. Le laser balaye ensuite la section transversale suivante de la pièce.
  5. Ce processus se répète pour chaque couche jusqu’à ce que l’impression soit terminée, puis on laisse les pièces finies à l’intérieur de l’imprimante afin qu’elles refroidissent progressivement.
  6. Une fois les pièces refroidies, l’opérateur retire la chambre de fabrication de l’imprimante et la transfère à la station de nettoyage, séparant les pièces imprimées et nettoyant l’excès de poudre.
Schéma du principe de fonctionnement de la technologie d'impression 3D SLS.
Le SLS utilise un laser pour fritter un matériau plastique en poudre en une structure solide sur la base d’un modèle 3D.

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Le post-traitement SLS requiert un temps et un effort minimes et donne des résultats constants pour des lots de plusieurs pièces.
Une fois qu’une tâche d’impression est terminée, les pièces finies doivent être retirées de la chambre de fabrication, séparées les unes des autres et nettoyées de l’excès de poudre. Ce processus est généralement terminé manuellement au niveau d’une station de nettoyage en utilisant de l’air comprimé ou une soufflante.
Les pièces imprimées en SLS présentent une légère rugosité et un aspect granuleux, comparable à un papier de verre de grain fin. Le nylon offre des possibilités de post-traitement diverses telles que le ponçage, la coloration, la peinture, le prélaquage, le revêtement métal, la jonction et le flocage des pièces.

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Tout excès de poudre restant après la récupération de la pièce est filtré pour éliminer les grandes particules et peut être recyclé. La poudre non fusionnée se dégrade légèrement lorsqu’elle est exposée à des températures élevées, et donc une nouvelle poudre devrait être utilisée pour les tâches d'impression suivantes. Cette capacité de filtrage et de récupération du matériau permet sa réutilisation pour les tâches d'impression suivantes et fait du SLS l’une des méthodes de fabrication les plus économiques.

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Tous les types d'appareils SLS fonctionnent sur le même principe du procédé décrit ci dessus. Ce qui fait la différence, ce sont les types de laser et la taille de la chambre de production. Selon les systèmes, diverses solutions sont utilisées pour contrôler la température, la dispense de la poudre, et la dépose des couches.
Le frittage sélectif par laser requiert un haut degré de précision et un contrôle rigoureux. La température de la poudre ainsi que des pièces (incomplètes) doit être contrôlée avec une marge de 2 °C durant les trois premiers stades qui sont le préchauffage, le frittage et le stockage avant le retrait pour minimiser la distorsion, les contraintes et la déformation due à la chaleur.

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Le SLS industriel a été utilisé pour de nombreuses applications, allant des pièces de rechange pour Mine Yoshizaki Character Series Vol.1 Limit Gunz PVC Figure 1/6 scale by Art Storm | La Fabrication Habile , aux Malplena Trousse ronde pour stylo et maquillage | Produits De Qualité , Les systèmes de plus grande taille peuvent imprimer des pièces de 1 mètre de longueur.

Les systèmes de SLS industriels utilisent un ou plusieurs lasers haute puissance à dioxyde de carbone. Plus le volume de la pièce est grand, plus le système est complexe. Le SLS industriel requiert un environnement inerte d’azote ou d’autres gaz pour éviter l’oxydation et la dégradation de la poudre. Ainsi, le SLS industriel requiert un équipement spécialisé de traitement de l’air. Ces systèmes requièrent également une réelle puissance industrielle, même les machines industrielles les plus petites requièrent un espace d'installation d’au moins 10 m².

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L'imprimante 3D SLS Fuse 1 est compacte et tient sur un établi.
Le SLS sur établi ne requiert pas d’infrastructure spécialisée, et peut facilement s'intégrer à votre espace de travail.

Les systèmes sur établi utilisent une diode ou un laser à fibre au lieu des lasers à CO2 utilisés par les systèmes industriels, pour fournir une qualité de faisceau comparable à un coût plus faible.
Un volume de fabrication plus petit requiert moins de chaleur. La poudre étant exposée à des températures élevées pendant une plus courte durée, il n’est pas nécessaire d’utiliser des gaz inertes ou un système de traitement de l’air. En raison de leur consommation d'énergie globalement plus faible, les systèmes sur établi peuvent fonctionner sur un courant alternatif standard et ne requièrent donc pas une installation électrique spécifique.
Globalement, les systèmes sur établi offrent un volume de fabrication légèrement inférieur et une vitesse plus faible que ceux des systèmes de SLS industriels les plus petits, ce qui leur permet par ailleurs d’avoir une empreinte carbone et des coûts substantiellement plus faibles.

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SLS pour l'établi SLS Industriel
Prix A partir de 10 000 � De 200 000 � à 1 000 000 �
Volume d'impression Jusqu’à 165 x 165 x 320 mm Jusqu’à 550 x 550 x 750 mm
Avantages Abordable
Flux de travail simplifié
Faible maintenance
Petite empreinte carbone
Grand volume de fabrication
Rendement élevé
Large gamme de matériaux
Inconvénients Volume de fabrication moyen Machines coûteuses
Grande empreinte carbone
Maintenance importante
Opérateur requis

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Le matériau le plus courant utilisé dans le frittage sélectif par laser est le nylon, un thermoplastique technique populaire apprécié pour son poids léger, sa robustesse et sa souplesse. Le nylon est résistant aux chocs, aux produits chimiques, à la chaleur, à la lumière UV, à l’eau et à la contamination.

Piècecs et assemblages en nylon imprimées en 3D par frittage laser sélectif (SLS).
Le nylon est idéal pour une gamme d’applications fonctionnelles, de l'ingénierie de produit aux soins de santé.

Le nylon est un polymère thermoplastique synthétique appartenant à la famille des polyamides. Ses deux versions couramment utilisées dans le frittage sélectif par laser sont le nylon 11 et 12, ou le PA 11 et PA12.
PA est l’abréviation de polyamide, et les nombres indiquent le nombre d’atomes de carbone dans le matériau. Les deux versions sont similaires en termes de propriétés, PA11 étant légèrement plus flexible et résistant aux chocs, alors que le PA12 est plus robuste, plus résistant à l’abrasion et biocompatible.

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Nylon PA12 Nylon PA11
Résistance à la traction 50 MPa 48 MPa
Module de Young 1850 MPa 1560 MPa
Allongement à la rupture 12% 35%
Température de fléchissement sous charge 154 °C @ 0.45 MPa 130 °C @ 0.45 MPa

Les nylons 11 et 12 sont des poudres à composant unique, mais les imprimantes 3D SLS peuvent également utiliser des poudres à deux composants, telles que les poudres enduites ou les mélanges de poudre. Les composites de nylon contenant l’aluminide, le carbone ou le verre sont développés pour optimiser la résistance, la rigidité et la flexibilité des pièces. Avec ces poudres à deux composants, seul le composant ayant la température de transition vitreuse la plus faible est fritté pour lier les deux composants.

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Les ingénieurs choisissent le SLS pour la liberté de conception qu’il offre, sa productivité et rendement élevés, son faible coût par pièce, et enfin parce que c’est un procédé qui a fait ses preuves.

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La plupart des procédés de fabrication additive tels que la stéréolithographie (SLA) et la modélisation par dépôt de fil en fusion (technologie FDM) requièrent des structures de support dédiées pour réaliser des conceptions avec des parties du modèle en surplomb.

Le frittage sélectif par laser ne requiert pas de structures de support parce que la poudre non frittée entoure les pièces durant l’impression. Le SLS peut produire des géométries complexes qui étaient impossible par le passé telles que des dispositifs de verrouillage ou des pièces mobiles, des pièces avec composants internes ou des chaines, et d’autres modèles très complexes.

Orthèse de main imprimée en nylon par impression 3D SLS conçue avec des motifs complexes pour en réduire le poids.
Orthèse de main conçue avec un modèle complexe pour réduire le poids.

En général, les ingénieurs conçoivent les pièces en ayant à l’esprit les capacités du processus de fabrication final, ce procédé est aussi connu sous le nom de DFM ou Design for Manufacturing . Lorsque la fabrication additive est utilisée seulement pour le prototypage, elle est limitée aux pièces et aux modèles que les outils de fabrication conventionnels peuvent à terme reproduire durant la phase de production.

Comme le SLS devient un procédé de fabrication viable pour un nombre croissant d’applications, il a le potentiel pour ouvrir de nouvelles perspectives tant en terme de conception que d’ingénierie. Le SLS permet d’imprimer des pièces complexes en une seule impression qui auraient nécessité sans cette technologie l’impression de plusieurs pièces. Cela aide à remédier aux articulations fragiles et réduit également le temps d’assemblage.

Le frittage sélectif par laser peut maximiser le potentiel de la conception générative en permettant des conceptions légères utilisant un maillage qu’il est impossible de réaliser à l’aide des méthodes traditionnelles.

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Le SLS est la technologie de fabrication additive la plus rapide pour des prototypes fonctionnels et durables ainsi que pour des pièces à utilisation finale. Les lasers qui fusionnent la poudre ont une vitesse de balayage plus élevée, et sont plus précis que les procédés de dépôt par couche utilisés dans les autres procédés tels que le FDM industriel.

Des pièces multiples peuvent être positionnées étroitement durant l’impression pour maximiser l’espace de fabrication disponible dans chaque machine. Les opérateurs utilisent des logiciels ne laissant que des espacements minimaux entre les pièces afin d’atteindre la productivité maximale.

chambre de fabrication d'un imprimante SLS remplie à capacité pour améliorer la priductivité
Le SLS permet aux opérateurs de remplir la chambre de fabrication avec autant de pièces qu’elle peut contenir et de les imprimer sans supports afin de gagner du temps en post-traitement.

Des pièces peuvent être ajoutées à la plateforme durant l’impression. Cela permet d’apporter des changements de conception à la dernière minute ou d’ajouter des itérations successives d’un prototype.

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La clé pour tirer parti des fonctionnalités et de la polyvalence de l’impression 3D SLS est le matériau. Le nylon et ses composites sont des thermoplastiques éprouvés et de haute qualité. Les pièces en nylon fritté par laser ont une densité proche de 100 pour cent et des propriétés mécaniques comparables à celles des pièces créées avec des méthodes de fabrication conventionnelles comme le moulage par injection.

Perceuse fonctionnelle imprimée en Nylon 12 par impression 3D SLS.
Perceuse imprimé en nylon PA 12. Les pièces en nylon peuvent facilement être post-traitées pour obtenir une surface lisse avec une finition de qualité professionnelle.

Le nylon SLS est une excellente alternative aux plastiques couramment utilisés pour le moulage par injection. Il permet de créer des charnières actives, des fixations à encliquetage et d’autres articulations mécaniques de qualité supérieure par rapport à toute autre technologie de fabrication additive. Il est parfait pour les applications fonctionnelles nécessitant des pièces en plastique qui vont résister au temps, alors que ces même pièces si elles étaient fabriquées avec d’autres méthodes d’AM se dégraderaient et deviendraient fragiles avec le temps.

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Pour calculer le coût par pièce, il faut prendre en compte le coût d’acquisition de l’équipement, du matériau et les coûts de main-d'?uvre.

  • Minichamps Voiture Miniature de Collection, 155841103, Blanc/Jaune/Rouge | Les Produits Sont Vendu Sans Limitations , : Plus une machine peut produire de pièces pendant sa durée de vie, plus son coût unitaire diminue. Par conséquent, une productivité plus élevée va diminuer la part du coût de l’équipement pour chaque pièce produite. Grâce à la vitesse de balayage du laser, au positionnement des pièces permettant d’obtenir une capacité de production optimale et à un post-traitement simplifié, le FSL parvient à offrir la productivité la plus élevée et le meilleur rendement par rapport à toutes les techniques de fabrication additive plastique.
  • MINICHAMPS PM400061082 PORSCHE CAYENNE TURBO 2003 1:43 MODELLINO DIE CAST MODEL | De La Mode ,** : Alors que la plupart des technologies d'impression 3D utilisent des matériaux brevetés, le nylon est un thermoplastique courant, produit en large quantités à des fins industrielles, faisant de lui l’une des matières premières les moins coûteuses pour la fabrication additive. En outre, l’absence de structures de support et la poudre réutilisable permet au SLS de générer peu de déchets.
  • Meitetsu Type Deki600 Style Double Headlight (Toshiba Electric Locomotives 40t Standard Convex) (Model Train) | Insolite , : Le talon d’Achille de nombreuses solutions d’impression 3D réside dans la main-d'?uvre. La plupart des processus ont des workflows complexes qui sont difficiles à automatiser, ce qui peut impacter considérablement le coût par pièce. Le post-traitement simplifié du SLS permet de réduire la main d’oeuvre nécessaire.

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Le frittage sélectif par laser permet aux ingénieurs de réaliser des prototypes de pièces au début du cycle de conception, puis d’utiliser la même machine et le même matériau pour produire des pièces finies. Contrairement à la fabrication traditionnelle, le SLS n’exige pas d'outils coûteux nécessitant beaucoup d’apprentissage. Ainsi, les prototypes de pièces et les assemblages peuvent être testés et facilement modifiés en quelques jours seulement. Cela réduit considérablement le temps de développement de produit.
Du fait de son faible coût par pièce et de ses matériaux performants et durables, le SLS est une façon économique de produire des pièces complexes personnalisées ou une série de petits composants pour des produits finaux. Dans de nombreux cas, le SLS est une alternative économiquement rentable par rapport au moulage par injection pour la fabrication en quantités limitées ou pour le « bridge manufacturing.

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Jusqu’à présent, les imprimantes 3D SLS avaient des coûts prohibitifs pour la plupart des entreprises, le coût d'une seule machine s'élevant à plus de 200 000�.


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