Impression 3D sur lit de poudre et tête jet d'encre - Powder bed and inkjet head 3D printing
L'impression 3D par jet de liant , connue sous le nom d' impression "à lit de poudre et jet d'encre" et "goutte-à-poudre", est une technologie de prototypage rapide et de fabrication additive permettant de fabriquer des objets décrits par des données numériques telles qu'un fichier CAO. Le jet de liant est l'une des sept catégories de procédés de fabrication additive selon ASTM et ISO .
Histoire
Cette technologie a été développée pour la première fois au Massachusetts Institute of Technology et brevetée en 1993. En 1996, la société ExOne a obtenu un brevet de domaine d'utilisation exclusif pour la technologie, tandis que Z Corporation , qui a ensuite été rachetée par 3D Systems, a obtenu un brevet non exclusif pour l'utilisation de la technologie à des fins de moulage de métal. Le terme « impression tridimensionnelle » a été déposé par le groupe de recherche du MIT, avec l'abréviation 3DP. En conséquence, le terme « impression 3D » se référait à l'origine uniquement au processus d'impression par jet de liant avant d'être plus largement accepté en tant que terme faisant référence à tous les processus de fabrication additive.
La description
Comme dans de nombreux autres processus de fabrication additive , la pièce à imprimer est constituée de nombreuses sections transversales minces du modèle 3D. Une tête d'impression à jet d'encre se déplace sur un lit de poudre, déposant sélectivement un liant liquide . Une fine couche de poudre est étalée sur la section terminée et le processus est répété avec chaque couche adhérant à la dernière.
Lorsque le modèle est terminé, la poudre non liée est automatiquement et/ou manuellement retirée dans un processus appelé "dépoudrage" et peut être réutilisée dans une certaine mesure.
La pièce dépoudrée pourra éventuellement être soumise à divers infiltrants ou autres traitements pour produire les propriétés souhaitées dans la pièce finale.
Matériaux
Dans les mises en œuvre originales, l' amidon et le plâtre de gypse remplissent le lit de poudre, le "liant" liquide étant principalement de l'eau pour activer le plâtre. Le liant comprend également des colorants (pour l'impression couleur) et des additifs pour ajuster la viscosité , la tension superficielle et le point d'ébullition afin de correspondre aux spécifications de la tête d'impression. Les pièces de plâtre résultantes manquent généralement de « résistance verte » et nécessitent une infiltration par de la cire fondue , de la colle cyanoacrylate , de l' époxy , etc. avant une manipulation régulière.
Bien qu'elles n'utilisent pas nécessairement la technologie à jet d'encre conventionnelle , diverses autres combinaisons poudre-liant peuvent être déployées pour former des objets par des moyens chimiques ou mécaniques. Les pièces résultantes peuvent ensuite être soumises à différents régimes de post-traitement, tels que l'infiltration ou l' étuvage . Ceci peut être fait, par exemple, pour éliminer le liant mécanique (par exemple, par combustion) et consolider le matériau de noyau (par exemple, par fusion), ou pour former un matériau composite mélangeant les propriétés de la poudre et du liant. Selon le matériau, l'impression en couleur peut ou non être une option. Depuis 2014, les inventeurs et les fabricants ont développé des systèmes pour former des objets à partir de sable et de carbonate de calcium (formant un marbre synthétique ), de poudre acrylique et de cyanoacrylate , de poudre de céramique et d'un liant liquide, de sucre et d'eau (pour faire des bonbons), etc. le premier produit disponible dans le commerce intégrant l'utilisation du graphène était un composite en poudre utilisé dans l'impression 3D de têtes à jet d'encre sur lit de poudre.
La technologie d'impression 3D a un potentiel limité pour faire varier les propriétés des matériaux dans une seule construction, mais est généralement limitée par l'utilisation d'un matériau de base commun. Dans les systèmes d' origine de Z Corporation , les coupes transversales sont généralement imprimées avec des contours pleins (formant une coque solide) et un motif intérieur à faible densité pour accélérer l'impression et assurer la stabilité dimensionnelle à mesure que la pièce durcit.
Caractéristiques
En plus de la couleur volumétrique grâce à l'utilisation de plusieurs têtes d'impression et d'un liant coloré, le processus d'impression 3D est généralement plus rapide que les autres technologies de fabrication additive telles que le jet de matériau de modélisation par dépôt de fusion qui nécessitent le dépôt de 100 % du matériau de construction et de support à la résolution souhaitée. . En impression 3D, la majeure partie de chaque couche imprimée, quelle que soit sa complexité, est déposée par le même processus d'étalement rapide.
Comme avec d'autres technologies de lit de poudre, les structures de support ne sont généralement pas nécessaires car la poudre libre supporte les éléments en surplomb et les objets empilés ou suspendus. L'élimination des structures de support imprimées peut réduire le temps de construction et l'utilisation de matériaux et simplifier à la fois l'équipement et le post-traitement. Cependant, le dépoudrage lui-même peut être une tâche délicate, désordonnée et chronophage. Certaines machines automatisent donc le dépoudrage et le recyclage des poudres dans la mesure du possible. Comme tout le volume de fabrication est rempli de poudre, comme en stéréolithographie , des moyens pour évacuer une pièce creuse doivent être pris en compte dans la conception.
Comme d'autres procédés sur lit de poudre, la finition de surface et la précision, la densité de l'objet et, selon le matériau et le procédé, la résistance des pièces peuvent être inférieures à des technologies telles que la stéréolithographie (SLA) ou le frittage laser sélectif (SLS). Bien que les propriétés de « marche d'escalier » et de dimensions asymétriques soient des caractéristiques de l'impression 3D comme la plupart des autres procédés de fabrication en couches, les matériaux d'impression 3D sont généralement consolidés de manière à minimiser la différence entre la résolution verticale et dans le plan. Le processus se prête également à la rastérisation des couches à des résolutions cibles, un processus rapide qui peut s'adapter aux solides qui se croisent et à d'autres artefacts de données.
Le prix des imprimantes 3D à lit de poudre et à jet d'encre varie généralement de 50 000 $ à 2 000 000 $, mais il existe un kit de bricolage pour amateur vendu à partir de 800 $ pour convertir une imprimante FDM grand public en imprimante à poudre/jet d'encre.
Limites
Les pièces imprimées à l'aide du processus de jet de liant sont intrinsèquement poreuses et ont une surface non finie, car contrairement à la fusion sur lit de poudre, les poudres ne sont pas physiquement fondues et sont jointes par un agent liant. Alors que l'utilisation d'un liant permet de réduire en poudre les matériaux à température de fusion élevée (par exemple la céramique) et sensibles à la chaleur (par exemple les polymères) et de les utiliser pour la fabrication additive, les pièces à jet de liant nécessitent un post-traitement supplémentaire qui peut nécessiter plus de temps qu'il n'en faut. pour imprimer la pièce, comme le durcissement, le frittage et la finition supplémentaire .
Le jet de liant est particulièrement sujet aux phénomènes d'épuisement du lit de poudre, qui se produisent lorsque le liant tombe à la surface du lit de poudre. Ce problème est particulièrement répandu dans le jet de liant, car contrairement aux procédés de fabrication additive traditionnels (qui utilisent une chaleur élevée pour faire fondre et fusionner les poudres ensemble), le « jet » de liant qui tombe sur le lit peut provoquer la formation de gros agglomérats de poudre semi-liée. être éjecté de la surface, laissant derrière lui des zones de déplétion souterraines (pour 30 µm de poudre SS316, une profondeur de zone de déplétion de 56 ± 12 µm a été observée). La croissance des zones d'appauvrissement au fur et à mesure du dépôt des couches de poudre imprimées suivantes peut avoir des ramifications majeures sur la qualité des pièces imprimées par jet de liant. Les agglomérats éjectés atterrissent sur d'autres régions du lit, ce qui rend la surface du lit moins uniforme, les dimensions de la pièce finale sont déformées et imprécises, et de gros pores souterrains se forment. Des défauts et des contraintes résiduels peuvent également être présents partout, ce qui réduit la résistance de la partie déjà plus faible (en raison de la porosité inhérente de la partie projetée de liant).
Ces facteurs limitent l'utilisation du jet de liant pour les applications hautes performances, telles que l'aérospatiale, car les pièces à jet de liant sont généralement plus faibles que celles imprimées avec des procédés de fusion sur lit de poudre. Cependant, le jet de liant est parfait pour le prototypage rapide et la production de pièces métalliques à faible coût.
Voir également
- impression en 3D
- Liste des modèles de test 3D courants
- Marché de l'impression 3D
- Impression volumétrique