Qu’est-ce que l’impression 3D SLS ? Guide du frittage sélectif par laser

L’impression SLS en un paragraphe

Le frittage sélectif par laser est un procédé de fusion sur lit de poudre. Une machine étale une fine couche de poudre polymère, un laser y fusionne la section de la pièce, et le cycle se répète jusqu’à ce que la pièce soit terminée. La poudre non fusionnée reste en place et soutient la pièce : aucune structure de support n’est donc à concevoir, à imprimer ni à retirer. On obtient une pièce thermoplastique pleine, le plus souvent en polyamide 12 (PA 12, nylon 12), utilisable comme prototype fonctionnel ou comme composant d’usage final.

Comment fonctionne le frittage sélectif par laser

1. Préparation et imbrication

Les modèles 3D de toutes les pièces d’un job sont disposés en trois dimensions dans le volume de fabrication. C’est ce qu’on appelle l’imbrication (nesting). Comme les pièces peuvent être empilées, un job contient généralement de nombreuses pièces différentes issues de plusieurs commandes. La densité de remplissage d’un job a un effet direct sur le coût par pièce.

2. Chauffage

La chambre de fabrication et la poudre sont chauffées à une température juste inférieure au point de fusion du polymère. Le laser n’a alors plus qu’à apporter une faible quantité d’énergie pour fusionner la poudre, ce qui réduit les contraintes thermiques et le gauchissement.

3. Frittage couche par couche

Un racleur étale une couche de poudre, d’une épaisseur typique d’environ 0,1 mm. Un laser CO₂, dirigé par des miroirs de balayage, trace la section de chaque pièce dans cette couche. Le plateau descend d’une couche et la couche de poudre suivante est appliquée. Un job complet dure de nombreuses heures, sans opérateur.

4. Refroidissement

Le bloc de poudre contenant les pièces, souvent appelé « cake », doit refroidir lentement et uniformément avant d’être ouvert. Le refroidissement peut durer aussi longtemps que la fabrication elle-même. Ouvrir le cake trop tôt provoque du gauchissement et des erreurs dimensionnelles ; c’est l’une des raisons pour lesquelles les délais du SLS ne peuvent pas être réduits indéfiniment.

5. Déballage et finition

Les pièces sont extraites du cake et la poudre libre est récupérée ; une partie est mélangée à de la poudre neuve et réutilisée. Les pièces sont ensuite sablées pour éliminer la poudre qui adhère à la surface. Le traitement de surface, la teinture et d’autres traitements font partie des étapes optionnelles.

Matériaux

Le matériau SLS standard est le PA 12. Il se fritte de manière fiable, absorbe peu d’humidité pour un polyamide et offre un bon équilibre entre rigidité, résistance et ductilité. D’autres poudres existent : le PA 11 pour plus de ductilité, le PA 12 chargé de verre ou d’aluminium pour plus de rigidité, et le TPU pour les pièces souples. Chacune exige ses propres paramètres machine, et de nombreux prestataires n’en exploitent qu’une ou deux.

SLS Market imprime uniquement du Nylon PA 12 blanc. Le guide du nylon PA12 décrit le matériau et ses limites.

Précision et surface

La tolérance générale habituellement indiquée pour le SLS PA 12 est de ±0,3 %, avec une limite inférieure de ±0,3 mm. On peut donc attendre une cote de 100 mm à environ ±0,3 mm près, et une cote de 200 mm à environ ±0,6 mm près. Le retrait au refroidissement est la principale source d’écart ; il dépend de la géométrie, de l’épaisseur de paroi et de la position de la pièce dans le job. Les grandes zones planes sont les plus sujettes au gauchissement.

La surface est mate et légèrement granuleuse, car des particules de poudre adhèrent au contour fondu de chaque couche. Les lignes de couche sont bien moins visibles que sur les pièces imprimées par dépôt de filament. Le sablage homogénéise la surface ; des traitements de surface complémentaires la rendent plus douce au toucher. Une pièce SLS n’a pas le brillant d’une pièce moulée par injection, sauf traitement supplémentaire.

Les propriétés mécaniques sont quasi isotropes. La résistance dans la direction de fabrication est un peu plus faible que dans le plan d’une couche, mais l’écart reste faible par rapport à l’impression par dépôt de filament.

Règles de conception typiques

Il s’agit de recommandations courantes dans l’industrie pour le PA 12 fritté par laser. Les limites exactes dépendent de la machine, des paramètres et de la géométrie.

En l’absence de supports, des formes coûteuses ailleurs ne coûtent rien de plus en SLS : contre-dépouilles, canaux internes, structures lattices, charnières intégrées et plusieurs fonctions réunies en une seule pièce.

Ce qui détermine le coût d’une pièce SLS

Le SLS n’entraîne aucun coût d’outillage : le prix d’une pièce dépend donc de la part du job de fabrication qu’elle occupe.

• Volume de la pièce. La quantité de matière frittée.
• Boîte englobante et remplissage. Une forme volumineuse et creuse occupe un espace de fabrication inutilisable pour d’autres pièces. Les formes qui s’imbriquent bien coûtent moins cher.
• Hauteur dans le job. Le temps de fabrication augmente avec le nombre de couches.
• Quantité. Le travail fixe de traitement d’une commande se répartit sur davantage de pièces, et un job plein est plus économique qu’un job clairsemé.
• Finition. Le sablage est standard ; la teinture et les traitements de surface complémentaires ajoutent des étapes.

Deux conséquences pratiques en découlent. Évider une pièce épaisse et ajouter des trous d’évacuation réduit à la fois la matière et les déformations. Et le prix unitaire de 50 pièces est généralement bien inférieur à celui de 5 pièces, alors même qu’aucun moule n’intervient.

Le SLS face aux autres procédés

Quand utiliser le SLS

Le SLS convient bien lorsque la pièce doit fonctionner, et pas seulement avoir belle allure. Applications typiques :

• prototypes fonctionnels testés sous charge ;
• boîtiers, capots et supports pour machines et appareils ;
• gabarits, montages et doigts de préhension pour lignes de production ;
• conduits, collecteurs et pièces à canaux internes ;
• petites séries et pièces de rechange pour lesquelles un moule n’est pas rentable.

Ce n’est pas le bon choix pour les pièces transparentes, pour les pièces qui exigent une surface d’aspect brillante sans traitement complémentaire, pour les très grandes pièces qui dépassent le volume de fabrication de la machine, ni pour les grandes séries d’une géométrie simple, où le moulage par injection revient moins cher à la pièce.

Les questions à poser à un service d’impression SLS

• Quelle machine et quelle poudre seront utilisées, et existe-t-il une fiche technique ?
• Quelle tolérance générale s’applique, et comment les cotes critiques sont-elles traitées ?
• Quelle finition les pièces reçoivent-elles en standard, et quelles options existent ?
• La pièce est-elle fabriquée en interne ou confiée à un réseau de sous-traitants ?

Chez SLS Market, les réponses sont : une EOS FORMIGA P 110 Velocis avec un volume de fabrication de 200 x 250 x 330 mm, du Nylon PA 12 blanc et un sablage dans une DyeMansion Powershot DUAL, le tout en République tchèque. Les détails figurent sur la page du service d’impression 3D SLS ; notre précédent article sur l’impression SLS chez SLS Market décrit l’équipement.