Tout ce qu'il faut savoir sur l'impression DLP® 3D

En bref : L'impression 3D par traitement numérique de la lumière (DLP) utilise la projection de lumière pour durcir la résine photopolymère, produisant ainsi des pièces d'une excellente précision, dotées d'une finition de surface lisse et présentant des propriétés matérielles fonctionnelles. Alliant rapidité, fiabilité et large compatibilité des matériaux, la technologie DLP fait le pont entre le prototypage et la production, en fournissant des pièces isotropes et hautement performantes destinées aux secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale, de l'industrie, du médical et des produits de grand public. La photopolymérisation programmable P3™ de Stratasys fait progresser la technologie DLP grâce à un contrôle de processus en boucle fermée et à un système de séparation pneumatique breveté, garantissant une précision, une répétabilité et une qualité de surface exceptionnelles.  

Qu'est-ce que l'impression DLP ?

Le DLP® est une technologie de projection de lumière. L'impression 3D DLP permet de créer des pièces de haute précision aux surfaces lisses, en utilisant des matériaux haute performance qui confèrent des propriétés fonctionnelles aux pièces produites.  

Cette technologie est donc particulièrement adaptée à la fabrication de pièces de production – une bonne alternative au moulage par injection pour la fabrication en petites séries. 

L'impression DLP est une technologie d'impression 3D à base de résine qui utilise un projecteur DLP (Digital Light Processing) pour durcir rapidement la résine photopolymère liquide, solidifiant des couches entières simultanément afin de construire des objets en 3D.

Le projecteur de lumière numérique projette simultanément l'image d'une couche entière, durcissant la résine photopolymère liquide en une seule exposition. La résine se solidifie rapidement lorsqu'elle est exposée à des longueurs d'onde spécifiques de lumière UV émises par le projecteur. Une fois chaque couche durcie, la plate-forme de fabrication se soulève avec précision, permettant à de la résine fraîche de s'écouler en dessous pour la section transversale suivante. Cette méthode de projection par couche complète permet des vitesses d'impression plus rapides par rapport aux autres technologies d'impression 3D à base de résine.

Le DLP est une méthode numérique de projection de lumière, ce qui signifie qu'il contrôle chaque pixel de l'écran : couleur, luminosité et contraste. À la base, le DLP utilise un dispositif à micromiroirs numériques (DMD) pour réfléchir la lumière vers les pixels souhaités.  

Développé pour la première fois par Texas Instruments en 1987, un DMD est composé de milliers de miroirs microscopiques. Dix ans plus tard, Digital Projection a utilisé cette technologie pour créer le premier projecteur DLP.  

Le projecteur peut contrôler chaque miroir individuellement pour réfléchir la lumière soit vers l'écran, soit dans une autre direction (vers un dissipateur de faisceau). De plus, les miroirs peuvent être rapidement activés ou désactivés pour réduire la luminosité effective de la couleur (ou de l'échelle de gris). 

Utilisation de la technologie DLP pour l'impression 3D

En ce qui concerne les imprimantes DLP, le projecteur DLP proprement dit n'est qu'un composant (certes essentiel) d'une machine d'impression 3D complexe. Les imprimantes 3D DLP comportent quatre composants principaux : 

• Cuve à résine 
• Plateforme d'impression 
• Source lumineuse DLP 
• Mécanisme à membrane/séparation 

Voici comment ils interagissent entre eux pour imprimer une pièce en 3D :

1. Le bac contient une résine photopolymère, c'est-à-dire un type de plastique qui durcit lorsqu'il est exposé à la lumière.

2. Une membrane flexible située au fond du bac (sous la plate-forme de fabrication) s'étend vers le bas, et une fine couche de résine s'y écoule.

3. Le projecteur DLP durcit une tranche entière de la pièce imprimée en 3D en une seule fois, en projetant une image de cette tranche sur la surface de la résine dans le bac.

4. La membrane se contracte vers le haut pour se raccorder à la plate-forme d'impression et une fine couche de résine entre la membrane et la plate-forme d'impression est durcie.

5. La plate-forme d'impression est relevée (très légèrement, c'est la résolution de l'axe Z) pour permettre à davantage de résine de s'écouler en dessous. 

6. Les étapes 2 à 5 sont répétées pour chaque couche jusqu’à ce que la pièce soit terminée. 

Quelle est la place de la technologie DLP dans le monde de la fabrication additive ?

La fabrication additive (FA) peut être classée de plusieurs façons, mais la plus simple consiste peut-être à commencer par le matériau utilisé. Pour simplifier à l'extrême, voici les catégories de matériaux : 

• Métal 
• Plastiques/polymères 
• Thermoplastiques 
• Thermosets, également appelés photopolymères 

Tous les types de plastiques subissent une transformation, passant d'un état plus fluide ou malléable à leur état « final ». La principale différence entre les thermoplastiques et les thermodurcissables réside dans la réversibilité de cette transformation. Les thermoplastiques subissent un processus entièrement bidirectionnel lorsqu'ils durcissent ou se solidifient pour atteindre un état « permanent ».  

Ce processus peut être inversé pour retrouver la matière première d'origine. En revanche, les thermodurcissables – comme leur nom l'indique – sont fixés en place. Une fois que le plastique est durci, il ne peut plus revenir à son état d'origine. 

Une autre façon d'envisager la question consiste à observer ce qui se passe lorsque l'on applique de la chaleur au plastique durci : 

• Les thermoplastiques fondent (et peuvent être durcis à nouveau si nécessaire)
• Les thermodurcissables brûlent (et ne reviennent pas à leur état moulable d'origine) 

Toute technologie de fabrication additive donnée ne fonctionne (généralement) qu'avec un seul type de catégorie de matériaux. 

L'ISO reconnaît sept grands groupes de technologies de fabrication additive : 

Il ressort clairement de cet aperçu que la technologie DLP est la plus proche des autres formes de photopolymérisation en cuve. Cela dit, il est utile de comparer toutes les formes d'impression 3D par polymérisation afin de déterminer quand il est préférable d'utiliser la technologie DLP et quand d'autres méthodes seraient plus indiquées.

Matériaux utilisés pour l'impression 3D DLP

La technologie DLP permet l'impression 3D à partir de matériaux présentant des propriétés variées. Sa source de lumière UV de 385 nm est parfaitement adaptée au durcissement d'une large gamme de résines. Le dénominateur commun de tous les matériaux compatibles est qu'ils doivent être des photopolymères. (Rappelons que l'ensemble du processus d'impression DLP repose sur le durcissement de la résine par la lumière.) 

Les photopolymères DLP peuvent être classés dans les catégories fonctionnelles suivantes : 

• Usage général 
• Résistants 
• Élastomères 
• Résistance à la chaleur 
• Usage médical 
• Autres/usage spécifique 

Les matériaux résistants aux hautes températures ont tendance à être plus cassants, tandis que les matériaux plus élastiques ou plus résistants ont généralement une résistance aux températures plus faible. Il convient de garder cela à l'esprit lors du choix du matériau le mieux adapté à votre application. 

Matériaux DLP à usage général

Ces matériaux sont polyvalents en matière d'impression 3D par DLP. Ils présentent les avantages suivants : 

• De bonnes propriétés globales 
• Faciles à utiliser pour l'impression et le traitement 
• Adaptés à un large éventail d'applications 

Matériaux DLP résistants

Les matériaux résistants peuvent supporter les chocs ou les mouvements répétitifs. Bien que leur élasticité puisse varier, ils partagent généralement une résistance élevée aux chocs. Les matériaux DLP résistants peuvent être classés en fonction du type de thermoplastique qu'ils imitent, par exemple :

• ABS 
• Polypropylène modifié à l'impact 

Élastomères pour l'impression 3D DLP

Ces matériaux imitent le caoutchouc sous diverses formes, pour des applications telles que : 

• Joints et garnitures 
• Amortissement des vibrations 
• Caoutchouc « élastique » 

Les photopolymères élastomères sont caractérisés par : 

• La dureté Shore, où les valeurs les plus élevées correspondent aux matériaux les plus durs 
• La résistance à la déchirure 
• Allongement à la rupture 

D'une manière générale, les matériaux présentant des valeurs Shore plus faibles peuvent s'étirer davantage (allongement à la rupture plus important). Les élastomères plus durs peuvent être utilisés pour les prototypes de forme, d'ajustement et fonctionnels, tandis que les élastomères plus souples sont plus couramment utilisés dans les joints d'étanchéité et les garnitures. 

Matériaux DLP résistants à la chaleur

Il s'agit de matériaux DLP capables de résister à une exposition prolongée à la chaleur, généralement quantifiée par la mesure de leur température de déflexion thermique (HDT). Ils peuvent également être certifiés pour leur résistance au feu, à la fumée et à la toxicité (FST). Les matériaux résistants à la chaleur ont également tendance à bien résister à l'humidité, ce qui se traduit par une meilleure stabilité dimensionnelle à long terme. Notez que les matériaux haute température sont généralement plus fragiles que les autres catégories de matériaux. Il convient d'éviter d'utiliser ces matériaux dans les applications impliquant des contraintes répétées, des chocs ou un risque de chute. 

Matériaux DLP à usage médical

Grâce à leur haute précision et à leur finition de surface lisse, les imprimantes DLP sont adaptées à l'impression de dispositifs médicaux, en utilisant des matériaux spéciaux de qualité médicale certifiés conformément aux exigences réglementaires et aux normes applicables. 

Matériaux DLP à usage spécifique

Les catégories générales ci-dessus peuvent être utilisées pour de nombreuses applications. Pour les cas d'utilisation nécessitant des propriétés spécialisées (par exemple, protection ESD, ignifugation), d'autres matériaux à usage spécifique peuvent être utilisés. Ces matériaux 3D peuvent être définis par le matériau thermoplastique traditionnel qu'ils remplacent, par exemple : 

• Nylon 6/12 
• PBT (polybutylène téréphtalate) 
• Matériaux ESD
• Silicate d'aluminium 
• ABS (acrylonitrile-butadiène-styrène) 
• Polypropylène 
• TPU (polyuréthane thermoplastique) 

Conception pour l'impression 3D DLP

La conception pour la fabrication additive (DfAM) repose sur l'idée que l'impression 3D ne commence pas seulement avec l'imprimante elle-même. Elle commence dès la conception de la pièce. La conception actuelle tient compte des limites des méthodes de production traditionnelles. Comme nous avons affaire à une méthode de production fondamentalement différente, la conception des pièces ne devrait pas être limitée par des contraintes non pertinentes. La DfAM vous permet d'exploiter tout le potentiel de la fabrication additive. 

Pourquoi concevoir pour la fabrication additive ?

Lorsque l'on utilise la fabrication additive pour des pièces de production, la conception adaptée à cette technologie est essentielle pour tirer pleinement parti des avantages de la FA. Une bonne conception pour la fabrication additive peut vous aider à améliorer la qualité, la fonctionnalité et le rendement, ce qui se traduit par une réduction des coûts globaux et un plus grand nombre d'applications viables pour la production additive. De plus, si vous concevez pour la fabrication additive, vous pouvez souvent regrouper plusieurs pièces en une seule pièce intégrée, ce qui réduit la main-d'œuvre nécessaire à l'assemblage et les problèmes de qualité souvent liés aux processus d'assemblage manuel de précision.  

Comment concevoir pour la fabrication additive

Étape 1 – Examiner la pièce et l'application : 

• Existe-t-il un matériau de FA adapté à l'application ? 
• La pièce tiendra-t-elle dans le volume d'impression de l'imprimante ? 
• Y a-t-il des éléments/parois de moins de 200 μm (0,2 mm) ? 
• Y a-t-il des surplombs ? 
• Des supports sont-ils nécessaires sur les surfaces critiques ? 
• Y a-t-il des zones où la résine ne peut pas s'écouler ?  

Étape 2 – Choisissez un matériau d'impression 3D : 

• Rigide 
• Résistant 
• Haute température 
• Élastomères 
• Usage spécifique 
• Etc. 

Étape 3 – Tenez compte de l'orientation de la pièce à imprimer : 

• La hauteur (axe Z) est le principal facteur déterminant la durée d'impression. Si possible, orientez la pièce de manière à obtenir la hauteur la plus courte possible. 
• Une surface plane de votre conception peut-elle être placée contre la tête d'impression pour obtenir une impression stable nécessitant moins de supports ? 

L'orientation de la pièce peut également affecter la qualité de la surface : 

• La meilleure surface sera une surface plane imprimée directement parallèlement à la plate-forme d'impression. Évidemment, cela ne laisse pas beaucoup de liberté de conception.  
• La deuxième meilleure qualité de surface sera celle d'une pièce courbe ou plate inclinée par rapport à la tête d'impression (et non une surface plane perpendiculaire). La plupart des surfaces de la plupart des pièces entrent dans cette catégorie.  
• L'orientation de surface la plus difficile est une surface plane perpendiculaire à la plate-forme d'impression, car vous remarquerez de subtiles lignes de couches dans la direction Z. Cela peut être atténué dans une certaine mesure en utilisant une imprimante (telle que l'Origin® Two) dotée d'une structure de plate-forme d'impression rigide, afin de créer un axe Z stable et uniforme. 

Étape 4 – Tenez compte des besoins en supports : 

• La pièce aura-t-elle besoin de supports ? 
• Quelle est la stratégie de support ?
•  Y aura-t-il des supports sur les surfaces critiques ? 
• Quelle sera la hauteur des supports ? Les supports plus hauts doivent être plus épais. 
• Les matériaux qui s'impriment avec une résistance à l'état frais (résistance avant durcissement) plus faible nécessitent davantage de supports. 

Étape 5 - Nettoyage et post-polymérisation : 

• 
  Il est important de prendre en compte le processus de nettoyage lors de la conception de votre pièce. Les résines visqueuses, comme les élastomères, seront plus difficiles à nettoyer que les résines à faible viscosité, telles que les matériaux rigides. 
• Les treillis très denses peuvent également être difficiles et longs à nettoyer.
  La clé du succès en DfAM consiste à prendre du recul, à réexaminer les pièces à l'échelle du système et à les optimiser en termes de poids, de performances et de rendement. 

Exemple de DfAM : considérations relatives aux supports et à l'imbrication

Par exemple, la vanne à venturi illustrée ci-dessous (en coupe transversale) est entièrement autoportante, à condition qu'elle soit imprimée dans l'orientation indiquée à gauche (trois orifices orientés vers le bas, un vers le haut). Si elle était imprimée dans l'autre orientation, la sortie centrale interne du fluide (marquée en rouge) aurait besoin d'un support. 

Cependant, pour imprimer cette pièce en volume, la densité d'imbrication joue un rôle majeur. Si toutes les pièces avaient la même orientation, moins d'entre elles pourraient tenir sur une seule impression, ce qui réduirait le débit. Il était donc nécessaire d'utiliser les deux orientations, ce qui exigeait un support pour l'une d'entre elles.

L'utilisation de matériau de support en DLP n'est pas un problème en soi, mais dans ce cas précis, cela posait un défi. La manière logique d'ajouter un support serait la suivante (lignes vertes) : 

Cependant, placer des structures de support à l'intérieur d'un tube fermé rendrait leur retrait propre pratiquement impossible. Au lieu de cela, en modifiant légèrement la conception, la vanne à venturi est entièrement autoportante dans les deux orientations : 

Cette solution ajoute des contreforts autoportants (surlignés en bleu) reliant la paroi latérale et la sortie centrale interne du fluide afin de soutenir l'orifice non soutenu tout en permettant un écoulement d'air sans obstruction. 

Tendances futures de la technologie d'impression 3D DLP 

La technologie d'impression 3D DLP est déjà utilisée pour imprimer des pièces de haute qualité, reproductibles et entièrement fonctionnelles. Et elle est en passe de s'améliorer encore : 

• Davantage de matériaux dotés de nouvelles propriétés, des performances encore meilleures, prenant en charge un éventail plus large de normes industrielles 
• Une réduction continue du coût par pièce, grâce à l'amélioration des performances des imprimantes, aux économies d'échelle dans la fabrication des imprimantes, ainsi qu'aux progrès logiciels permettant d'imprimer davantage de pièces imbriquées dans une seule impression 
• Un débit plus rapide 
• Une résine durable, fabriquée à partir de sources végétales ou renouvelables 
• Impression 3D multi-matériaux 
• Automatisation supplémentaire (par exemple, l'auto-étalonnage) pour améliorer la répétabilité, réduire les erreurs, minimiser le travail manuel et s'adapter à la production. 

Cette méthode présente plusieurs avantages : 

• Elle permet d'obtenir une finition de surface de très haute qualité. 
• Les détails délicats peuvent être imprimés sans se casser lors du processus de démoulage.
•  Il est possible d'imprimer des sections transversales de grande taille. 
• Elle nécessite moins de matériau de support (ce qui signifie moins de post-traitement). 
• Elle permet d'atteindre une flexibilité géométrique maximale.