La fusion est le processus qui consiste à appliquer de la chaleur et/ou de la pression pour fusionner des morceaux de métal, de céramique et d’autres matériaux en une masse solide. Ce n’est rien de nouveau. La nature fusionne depuis des éons des minéraux sédimentaires pour créer des ardoises et du quartzite, et les humains ont commencé à utiliser des méthodes similaires pour fabriquer des briques et de la porcelaine il y a des millénaires. Aujourd’hui, la fusion est utilisée pour produire des engrenages, des bielles, des pignons et des roulements, entre autres. Elle est également utilisée pour imprimer en 3D des pièces.
La fusion sélective par laser (SLS) est un cousin proche de la fusion sélective par laser direct (DMLS), mais elle fabrique des pièces en plastique plutôt qu’en métal. L’SLS utilise un laser CO2 contrôlé par ordinateur, contrairement à un laser à fibre ND: YAG pour le DMLS, mais les deux “dessinent” des tranches d’un modèle CAO dans un lit de matériau, en fusionnant des particules de matériau de la taille d’un micron une couche à la fois.
Contrairement à la DMLS et à la stéréolithographie (SLA), l’SLS ne nécessite aucune structure de support. De plus, elle crée des pièces entièrement fonctionnelles en utilisant du nylon de qualité ingénierie, et elle est essentiellement la seule technologie de fabrication additive capable de créer des charnières et des assemblages à encliquetage. (Ces caractéristiques peuvent également être produites avec SLA, mais elles seront beaucoup plus fragiles et n’auront pas la durée de vie de celles produites avec SLS). Cela en fait un excellent moyen de prototyper des produits injectés, et elle peut même être utilisée comme une alternative à faible volume au moulage dans certains cas.
Les matériaux utilisés en SLS
Comme pour tout processus d’addition, il est important de comprendre les nombreuses considérations de conception applicables à l’SLS. L’une d’entre elles concerne le matériau. Malgré leurs utilisations diverses, toutes les pièces SLS sont actuellement limitées aux matériaux en nylon – les mêmes thermoplastiques utilisés dans les fixations rapides, les gilets pare-balles, les poêles à frire et des milliers d’autres articles du quotidien. Protolabs propose quatre grades de ces polymères polyvalents :
PA 850 Noir : Similaire à un Nylon 11 non chargé, ce bioplastique résistant est un excellent choix pour les pièces nécessitant une charnière vivante – par exemple, le couvercle d’un conteneur de pilules – et offre l’un des seuils de rupture par allongement les plus élevés de la famille des nylons. Il est de couleur noire, produit une finition de surface lisse et un bon niveau de détail des pièces, et grâce à sa résistance chimique exceptionnelle et à sa faible absorption d’eau, il est idéal pour les produits tels que les conduites de carburant, les cathéters, les chaussures de tennis et les connecteurs électriques.
PA 650 Blanc : Similaire au Nylon 12 non chargé, le PA 650 est à la fois rigide et résistant, et il est largement utilisé dans les conduits d’air, les articles de sport et des produits similaires. Il offre une finition blanche propre, mais avec une texture de surface légèrement plus rugueuse que les autres nylons. Il offre une résistance élevée aux chocs et à la température, est très durable et reste stable dans différentes conditions environnementales. Le Nylon 12 a également un faible coefficient de friction, ce qui en fait un matériau adapté à de nombreux types d’engrenages et de roulements.
PA 620-MF : Une variante du Nylon 12, ce matériau contient 25 % de fibres minérales et est utilisé pour les produits nécessitant une résistance structurelle élevée et des propriétés de charge. Comme la plupart des nylons, il offre une excellente rigidité à des températures élevées, ce qui en fait l’un des favoris de l’industrie aérospatiale et des sports moteurs, ainsi que de toutes les applications de fabrication additive nécessitant un matériau AM solide et durable. Il a également des propriétés mécaniques directionnelles – les fibres s’aligneront dans la direction X, ce qui le rendra plus résistant dans ce plan.
PA 615-GS : Cette variante à 50% de verre du Nylon 12 est connue pour sa stabilité dimensionnelle et sa résistance aux hautes températures. Elle convient particulièrement aux pièces précises et détaillées présentant des géométries complexes, et elle surpasse le nylon non chargé dans les applications exigeantes. Cependant, la charge en verre peut être abrasive pour les surfaces d’assemblage, ce qui doit être pris en compte lors de la conception de pièces avec ce matériau robuste. Il est également important de noter que le 620-MF a un rapport résistance/poids bien meilleur que le 615-GS.
Gestion de la construction
Ces quatre types de matériaux en nylon couvrent de nombreuses applications différentes. Malgré cela, environ 95 % du matériau SLS consommé chez Protolabs est du PA 850 (Nylon 11) ou du PA 650 (Nylon 12), bien que les variantes chargées en minéraux et en verre gagnent du terrain. Cependant, il y a bien plus à une bonne conception de pièces que le choix du matériau, et la maîtrise de la déformation pendant et après la construction, courante en fabrication additive, est primordiale pour obtenir une bonne qualité de pièces.
Une grande partie de cette maîtrise revient à Protolabs. Pour garder les pièces droites et fidèles, nos techniciens inclinent souvent légèrement les pièces dans la chambre de construction. Par exemple, si vous concevez un boîtier pour une console de jeu portable, une inclinaison composée de 10 à 15 degrés dans les axes X et Y pendant la construction est probablement tout ce dont vous avez besoin pour maintenir les parois droites et l’ajustement du couvercle du boîtier lisse. Il est important de noter que des “escaliers” peuvent apparaître à la suite de cette technique, il est donc important de repérer les surfaces cosmétiques lors de l’envoi de votre conception à Protolabs pour obtenir un devis et une analyse.
Il n’est jamais trop tôt pour améliorer la moulabilité
De nombreuses règles appliquées dans le moulage par injection s’appliquent également à l’SLS, ce qui en fait un excellent choix pour les pièces qui seront éventuellement moulées. L’utilisation de bossages de trous et de contreventements de support, ainsi que l’évitement de sections transversales épaisses, sont de bonnes pratiques pour les deux processus de fabrication. D’autres considérations de conception comprennent :
l’ajout de rayons d’angle aux points de rencontre des parois pour réduire les contraintes ;
l’épaisseur uniforme des parois – entre 0,060 po et 0,150 po est recommandée pour réduire la déformation pendant la construction et le potentiel de déformation ;
l’intégration de nervures pour réduire la déformation.
Là où les pièces moulées par injection peuvent contenir des douilles métalliques ou des inserts filetés surmoulés, les pièces SLS atteignent une fonctionnalité comparable grâce à des inserts thermocollés – dans notre exemple de jeu portable, des inserts filetés peuvent être thermocollés en tant que processus secondaire à chaque coin du boîtier dans le but d’obtenir un assemblage solide.
Finition de surface SLS
La finition de surface produite par l’SLS est un peu plus rugueuse que celle des autres technologies d’impression 3D – elle varie généralement de 100 à 250 RMS – mais elle convient raisonnablement bien à la plupart des prototypes fonctionnels. Protolabs effectue également un grenaillage sur la majorité des pièces de ses clients afin d’éliminer la poudre libre et de créer une finition mate lisse. La taille des caractères très fine est une autre considération – étant donné que la taille minimale des caractéristiques avec l’SLS est de 0,030 po, les polices de caractères très petites ont tendance à se coincer avec la poudre, rendant les lettres et les chiffres moins lisibles. L’utilisation de texte en retrait donne de meilleurs résultats, mais est toujours limitée à des caractéristiques d’une taille d’environ 0,020 po. Enfin, l’SLS est légèrement moins précis que les processus de fusion laser concurrents – là où le DMLS a une tolérance attendue de ±0,003 po plus 0,001 po/po supplémentaire pour les pièces métalliques, une tolérance de ±0,003 po plus ±0,001 po/po est généralement atteignable avec l’SLS pour des pièces bien conçues.
L’avantage de l’SLS est qu’elle dispose d’un cadre de construction de 19 po sur 19 po sur 22 po (482 mm sur 482 mm sur 558 mm), beaucoup plus grand que son homologue créant du métal. Et comme il n’y a pas de structures de support nécessaires, l’ensemble du lit de poudre peut être utilisé, ce qui facilite l’inclusion de plusieurs pièces dans une même construction. Cela fait de l’SLS une alternative solide aux plastiques usinés, une étape logique vers le moulage par injection et un excellent moyen de produire des pièces fonctionnelles en nylon en plus grandes quantités que ce qui est généralement associé à la fabrication additive.
Pour plus d’informations sur l’SLS, explorez les lignes directrices de conception de Protolabs et n’hésitez pas à contacter un ingénieur d’applications à [email protected] ou au 877-479-3680 en cas de questions.
