Guide des imprimantes 3D résine : SLA, DLP, MSLA et LCD

Dans l'impression 3D, la résolution est une caractéristique difficile à définir et à standardiser pour différents appareils et fabricants. La qualité et la précision finales des pièces imprimées dépendent de nombreux facteurs, à savoir la taille, la forme et la répartition de la lumière lors du durcissement de la résine, ainsi que le comportement de la résine en termes de diffusion, d'efflorescence et de polymérisation. Par exemple, certaines résines diffusent plus la lumière que d'autres, ce qui peut entraîner le durcissement d'une plus grande quantité de résine que souhaité et, par conséquent, l'impression de caractéristiques moins détaillées.

La résolution – autrefois définie comme « dots per inch » ou DPI pour les imprimantes à encre – est un concept facile à comprendre lorsqu'il s'agit de la répartition de l'encre sur les axes X et Y. La résolution d'une imprimante à jet d'encre peut être définie comme étant le nombre de points par pouce. Lorsque l'impression 3D s'est implantée, l'ajout de l'axe Z est venu compliquer cette définition et les normes de mesure de la résolution des pièces imprimées en 3D. 

Pour déterminer la technologie d'impression 3D et le fabricant d'imprimantes offrant la meilleure résolution, il faut considérer la qualité de l'image d'une pièce sur le plan XY et la hauteur minimale de la couche sur l'axe Z. La résolution de l'impression 3D peut être déterminée par le fabricant d'imprimantes. La qualité de la représentation de la forme souhaitée dépend toutefois de plusieurs facteurs. 

La résolution des imprimantes 3D SLA laser est déterminée par quatre facteurs : la taille du faisceau laser, la répartition de la puissance du faisceau laser, la précision des galvanomètres lors du guidage de la lumière sur le plan XY et la hauteur minimale de la couche sur l'axe Z. La résolution des imprimantes 3D SLA est déterminée par la taille du faisceau laser.

La taille du faisceau laser semble à première vue indiquer la taille minimale de détails permise, mais ce n'est pas le cas. Il est vrai que la taille minimale de détails est définie par la taille du faisceau laser lorsque la pièce entière est constituée d'un seul point rond : si le laser ne peut pas durcir une surface plus petite que lui-même, il n'en reste pas moins que la taille minimale de détails est définie par la taille du faisceau laser. Il ne s'agit toutefois pas d'une géométrie réaliste de pièce imprimée. Pour les pièces réalistes, le laser peut également tracer des formes et des caractéristiques plus petites que la taille du faisceau laser, car la vitesse avec laquelle le laser se déplace sur le plan XY est plus petite que les tailles de faisceau : le laser est donc capable de tracer le « bord extérieur » de détails très fins. 

Par exemple, la Form 3+ a une taille de faisceau laser de 85 micromètres, mais une résolution XY de 25 micromètres. La résolution XY décrit ici la précision avec laquelle l'imprimante peut imprimer dans le plan XY (horizontal).

La résolution des imprimantes 3D DLP dépend de la taille des pixels (mesures X et Y), de la puissance et de l'uniformité de la lumière, de l'utilisation de l'anticrénelage et de la hauteur minimale de la couche sur l'axe Z, comme pour les imprimantes SLA laser.

Plus la taille des pixels est petite, plus la résolution est élevée, tout comme pour les technologies connues telles que les téléviseurs ou les appareils mobiles. Avec l'impression 3D DLP, la résolution XY est définie par la taille des pixels, la plus petite caractéristique que le projecteur peut reproduire dans une couche unique. Ceci dépend de la résolution du projecteur, la plus courante étant full HD (1080 p), et sa distance de la vitre optique. Il en résulte que la plupart des imprimantes 3D DLP de bureau ont une résolution XY fixe, généralement entre 35 et 100 microns.

La résolution des imprimantes 3D DLP diminue à mesure que le volume de production augmente, car il n'existe pas de projecteurs avec un nombre de pixels significativement plus élevé. Ainsi, les fabricants doivent augmenter la distance par rapport à la source lumineuse tout en conservant le même nombre de pixels, ce qui entraîne une diminution de la résolution et de la qualité d'impression. 

La résolution des imprimantes 3D MSLA est déterminée par la taille des pixels de l'écran LCD, la collimation et l'uniformité de la source lumineuse, l'utilisation de l'anticrénelage ainsi que la hauteur minimale de la couche sur l'axe Z. 

Comme pour les imprimantes 3D DLP, une taille de pixel plus petite signifie également une résolution plus élevée. La taille des pixels n'est toutefois qu'un facteur parmi d'autres. Pour l'impression MSLA, la lumière doit être fortement collimatée (c'est-à-dire qu'elle doit se déplacer en rayons parallèles) et ne doit pas se disperser lorsqu'elle passe par un pixel de l'écran LCD. La lumière doit également être extrêmement uniforme pour que la résine soit polymérisée par chaque pixel de l'écran LCD avec la même puissance optique.

Heureusement, la hauteur de couche minimale sur l'axe Z est une mesure moins compliquée : la plupart des imprimantes 3D résine ont une hauteur de couche standard de 25 à 200 micromètres. Pour les imprimantes 3D résine inversées, la hauteur de couche dépend de la profondeur verticale de la résine qui se trouve entre la plateforme de fabrication et le fond du bac, c'est-à-dire en fait de la hauteur de chaque couche de résine durcie. 

Il est temps de poser une question essentielle : la résolution joue-t-elle vraiment un rôle dans l'impression 3D résine ? La réponse est oui ; cependant, la résolution en elle-même est souvent une mesure peu informative. Elle offre une indication, mais elle n'a pas d'incidence directe sur l'exactitude, la précision, et la qualité d'impression. Une résolution plus élevée (pixels ou taille du faisceau laser plus petits dans le plan XY et couches plus petites sur l'axe Z) s'accompagne généralement aussi d'une réduction considérable de la vitesse ou même de la fiabilité (car un nombre plus élevé de couches signifie davantage de sources d'erreur possibles).

Comme l'impression 3D est un procédé additif, chaque nouvelle couche comporte un risque d'imprécision. Lors de la formation des différentes couches, d'infimes écarts par rapport à la forme prédéfinie de la section peuvent se produire et affecter la précision dimensionnelle de la pièce. La précision dimensionnelle dépend de nombreux facteurs : le type de procédé d'impression 3D, la conception du matériel, les propriétés de la résine, les paramètres d'impression et les étapes de post-traitement. En règle générale, les imprimantes 3D sont parmi les processus d'impression 3D les plus précis et exacts. Les différences d'exactitude et de précision dépendent principalement du modèle et du fabricant plutôt que de la technologie.

Le premier facteur essentiel qui influence la précision des impressions 3D résine est la performance optique de l'imprimante, en particulier la taille, la forme et l'uniformité de la lumière qui durcit la résine. Les imprimantes 3D professionnelles laser, telles que la Form 3+ et la Form 3B+, utilisent des galvanomètres calibrés de haute qualité pour garantir que le faisceau laser frappe la résine exactement à l'endroit prévu et qu'il suit la trajectoire prévue du laser sans déviation.

La précision des imprimantes 3D DLP est influencée par la résolution et la puissance du projecteur de lumière, ainsi que par la qualité et le calibrage des micro-miroirs. Avec les imprimantes DLP, la précision est souvent affectée par la distorsion des pixels sur les bords du plan d'impression, car la distance entre la lumière projetée par les micro-miroirs et la source lumineuse y est plus grande.

La précision des imprimantes 3D LCD et MSLA est influencée par l'uniformité et la collimation de la lumière, ainsi que par la taille des pixels et la qualité de l'écran LCD. La plupart des imprimantes LCD comportent des lentilles au-dessus de la source lumineuse, mais il s'agit généralement de lentilles assez simples qui peuvent entraîner une lumière irrégulière, des points sombres ou une distorsion, et donc des pièces imprécises. La qualité de l'écran LCD lui-même est également déterminante : plus la résolution est élevée, plus l'écran LCD est capable d'exécuter les commandes du logiciel qui indiquent où la lumière doit être cachée et où elle ne doit pas l'être.

La Light Processing Unit 4 (LPU 4) de Formlabs comprend un LCD spécial avec une taille de pixel de 50 μm et un anticrénelage préréglé, qui assure une excellente précision dimensionnelle. L'unité d'éclairage de la Form 4 génère une lumière extrêmement puissante dans une projection uniforme, grâce à 60 LED ainsi qu'à un réseau de lentilles plano-convexes et à une plaque de déviation optique qui garantissent une lumière hautement collimatée et uniforme, même avec une puissance optique élevée.

Le deuxième facteur déterminant pour la précision sont les forces qui agissent sur la pièce lors de l'impression. Deux types de forces d'impression se produisent dans toutes les imprimantes résine inversées. Le processus de décollement lors du soulèvement de la plateforme de fabrication et le détachement d'une couche d'impression durcie du bac à résine génèrent des forces de décollement. Des forces s'exercent également lors de l'abaissement de la plateforme de fabrication, qui plonge la pièce à imprimer dans le bac de résine liquide. Ces forces peuvent entraîner le déplacement et la déformation des couches, ce qui se traduit finalement par une précision dimensionnelle moindre.

Certaines imprimantes utilisent des bacs à résine avec un simple film flexible qui se détache facilement des couches durcies et minimise les forces de décollement. Bien que ces bacs permettent d'obtenir une réduction des forces de décollement, ils présentent deux inconvénients majeurs. Ils utilisent un film peu résistant qui peut être facilement endommagé et qui doit être remplacé fréquemment. Ils sont également sensibles aux forces d'aspiration, c'est-à-dire à l'adhérence du film flexible sur l'écran LCD, ce qui provoque une augmentation ponctuelle des forces de décollement.

La Form 4, une imprimante MSLA professionnelle, utilise un bac à résine avec un film flexible à deux couches qui minimise les forces de décollement et est extrêmement robuste et résistant. La Form 4 dispose en outre d'un film optique microtexturé spécialement développé appelé texture de décollement, qui maintient un flux d'air entre le bac à résine et l'écran LCD. Cette texture empêche ainsi les forces d'aspiration et améliore la précision d'impression.

La texture de décollement de l'imprimante 3D MSLA Form 4 maintient un flux d'air entre le bac à résine et l'écran LCD. Elle empêche ainsi les forces d'aspiration et augmente la précision d'impression.

Le dernier facteur clé qui a un impact sur la précision sont les propriétés de la résine liquide dans l'imprimante. Le processus de durcissement de la résine liquide dépend de nombreuses variables, dont la température de la résine, l'homogénéité, la dispersion et la viscosité. Pour chacune de ces variables, de petits changements peuvent entraîner une modification de la quantité de résine durcie, ce qui peut entraîner des variations allant jusqu'à des centaines de microns dans la taille ou la forme des couches durcies. La plupart des imprimantes 3D ne contrôlent pas ces variables, ce qui entraîne des variations dimensionnelles fréquentes et imprévisibles.

La Form 4 résout ce problème de plusieurs manières. D'une part, la température et l'homogénéité de la résine liquide sont contrôlées avec précision à l'aide d'éléments chauffants, de capteurs de température à infrarouge et d'un mélangeur de résine extrêmement rapide. Formlabs développe et produit en outre ses propres matériaux, en contrôlant strictement la réactivité, la viscosité et les propriétés de diffusion de chaque matériau. En outre, la Form 4 utilise un logiciel de vue en coupe avancé, des calibrations matérielles de l'imprimante et des paramètres d'impression validés pour compenser automatiquement les propriétés des différents matériaux.

Comme nous l'avons déjà mentionné, l'exactitude et la précision d'une imprimante 3D ne dépendent donc pas uniquement de la technologie, mais également de la conception spécifique du matériel, des propriétés de la résine liquide, des paramètres d'impression, du calibrage et du post-traitement.

Avant l'introduction de l'impression 3D SLA inversée, les imprimantes 3D résine avaient des volumes de production importants et étaient très coûteuses. L'impression 3D résine inversée a rendu la technologie plus accessible, mais ces appareils étaient souvent beaucoup plus petits, car il serait extrêmement difficile d'imprimer avec succès de grandes tâches d'impression en raison des forces de décollement élevées. 

La combinaison de l'impression SLA inversée (qui permet d'utiliser de la résine à la demande au lieu de grandes cuves remplies de résine) et des nouvelles technologies de décollement permet aujourd'hui d'imprimer des volumes plus importants sans dépenser 100 000 € ou plus pour une imprimante 3D résine traditionnelle grand format. Pour des secteurs tels que les biens de consommation, la conception de produits et la santé, les imprimantes résine grand format représentent la solution idéale pour réaliser des applications grandeur nature. 

Pour évaluer quel format d'imprimante résine convient le mieux à vos propres besoins, il convient de prendre en compte votre cas d'application. Il existe trois grandes catégories de produits dans le domaine de l'impression résine ayant recours à un laser : les imprimantes de bureau, d'atelier et de format industriel.

Au cours des dernières décennies, les systèmes industriels ont été plus souvent utilisés dans les entreprises qui pouvaient à la fois faire face aux coûts élevés d'acquisition et de maintenance et répondre aux besoins plus importants en termes d'espace et d'infrastructure des imprimantes stéréolithographiques traditionnelles. 

L'invention de l'impression 3D SLA inversée a permis de créer des imprimantes 3D résine de la taille d'un ordinateur de bureau. Au fur et à mesure que la technologie était adoptée par un plus grand nombre de fabricants, des imprimantes plus petites avec un volume d'impression cubique d'environ 10 à 20 cm de côté sont devenues la norme. Par exemple, la Form 3+ de Formlabs offre un volume d'impression de 14,5 × 14,4 × 19,3 cm, tandis que la Form 4, avec 20 × 12,5 × 21 cm, offre un volume de fabrication 30 % plus important.

De même, l'impression 3D résine d'atelier n'a été rendue possible que par la combinaison de la technologie SLA inversée et de techniques de décollement améliorées. Les imprimantes 3D de bureau telles que la Form 3L, qui offre un volume d'impression de 33,5 × 20 × 32 cm, sont parfaites pour le prototypage de produits de consommation en taille réelle ainsi que pour la fabrication de produits finis à l'aide de l'outillage rapide imprimé en 3D.

Avec les imprimantes 3D DLP, la résolution se fait au détriment du volume d’impression. La résolution dépend du projecteur, qui détermine le nombre de pixels/voxels disponibles. Si on déplace le projecteur plus près de la vitre optique, les pixels deviennent plus petits, ce qui augmente la résolution, mais limite la zone de fabrication disponible. Certains fabricants utilisent des projecteurs avec des résolutions 4K ou même 8K. Cependant, ces derniers sont extrêmement coûteux et font donc grimper le coût du produit final.

La plupart des imprimantes DLP grand format utilisent toujours des techniques d'impression de haut en bas au lieu de technologies inversées, ce qui implique l'utilisation simultanée de grandes quantités de résine. Il en résulte que les imprimantes 3D DLP de bureau sont généralement optimisées pour des cas d'utilisation spécifiques. Elles ont un volume d'impression plus petit et offrent une haute résolution pour produire des petites pièces très détaillées, comme des bijoux, alors que d'autres peuvent produire des pièces plus volumineuses, mais à une résolution plus faible.

Les imprimantes 3D LCD sont basées sur un réseau de LED et un écran LCD de taille similaire pour le masquage. Par conséquent, l'exactitude et la précision restent les mêmes, même si le volume de production augmente. Une imprimante 3D LCD ou MSLA grand format fournit la même précision dimensionnelle qu'une version plus petite, à condition que les deux appareils utilisent des LCD avec la même taille de pixels et une source de lumière LED avec une lumière uniforme et collimatée de la même manière. 

Cependant, contrairement aux imprimantes 3D SLA laser, chaque LED et chaque centimètre carré d'écran LCD supplémentaires augmentent les coûts. Les imprimantes résine peuvent utiliser le même laser, quelle que soit la taille du volume d'impression, car les galvanomètres permettent tout simplement de diriger la trajectoire du laser vers les zones les plus éloignées de la plateforme. Cependant, pour des raisons de vitesse d'impression, de nombreuses imprimantes résine laser d'atelier disposent d'un deuxième composant laser, comme la Form 3L. Cela augmente les coûts ici, tout comme l'ajout de LED supplémentaires et d'écrans LCD plus grands.

Les couches des imprimantes 3D résine sont liées à la fois chimiquement et physiquement sur l'axe Z, c'est pourquoi la séparation entre les couches verticales est à peine perceptible. Il en résulte un aspect général plus lisse. 

Pour les matériaux transparents comme Clear Resin, la surface lisse permet une meilleure translucidité des pièces finies. Cela rend ce procédé d'impression idéal pour les pièces qui nécessitent une transparence optique pour laisser voir des caractéristiques internes.

Les imprimantes 3D laser comme la Form 3+ et la Form 3L sont très populaires en raison de leurs surfaces presque entièrement lisses. Comme le faisceau laser est rond, il est possible d'imprimer des courbes vraiment rondes, et l'aspect général des pièces est également très lisse. 

Les imprimantes 3D DLP et LCD donnent généralement aussi une finition de surface très lisse et ne nécessitent que peu de ponçage ou de polissage pour obtenir l'aspect des pièces moulées par injection. Cependant, les imprimantes DLP et LCD projettent la lumière à travers des voxels ou pixels qui sont rectangulaires. Auparavant, ces voxels causaient un «effet d'escalier » visible sur les axes X et Y, également appelé lignes de voxels ou de pixels.

Les imprimantes 3D DLP et LCD plus récentes utilisent des projecteurs haute résolution ou des écrans LCD avec de très petits pixels, ainsi que des techniques d'anticrénelage, dans lesquelles certains pixels sont partiellement activés. Cela permet aux imprimantes 3D DLP et LCD modernes d'obtenir une finition de surface pratiquement indiscernable des résultats obtenus par les imprimantes SLA laser.

Pour les petites pièces imprimées, la vitesse des imprimantes résine laser est comparable à celle des imprimantes 3D DLP et LCD : si le laser n'a pas besoin de couvrir une grande surface pour durcir la résine, il peut terminer rapidement les différentes couches. Toutefois, pour les pièces de taille moyenne ou grande, ou pour l'impression de lots entiers, les imprimantes 3D laser fonctionnent souvent beaucoup plus lentement que les modèles DLP ou MSLA.

Les imprimantes DLP sont déjà très populaires dans les secteurs où une impression rapide est synonyme d'augmentation des ventes, comme les laboratoires dentaires. Cependant, elles sont plus sensibles à la distorsion optique dans la zone d'impression et nécessitent des étapes de calibrage exigeantes pour atteindre une grande précision. De plus, elles sont souvent plus chères que les imprimantes 3D LCD aux performances comparables.

Les technologies MSLA avancées, comme celle de la Form 4, offrent tout compte fait la solution d'impression 3D la plus rapide et la plus fiable. Le durcissement simultané de couches d'impression entières est le facteur qui accélère le plus l'impression, mais d'autres caractéristiques de la Form 4, telles que le bac à résine avec film flexible à double couche, la texture de décollement, la distribution accélérée et automatisée de la résine et le chauffage rapide de la résine, permettent également de réduire le temps d'impression.

Ceux qui envisagent d'utiliser des imprimantes MSLA pour la production devraient accorder une grande attention à la qualité et à la fiabilité de leurs composants. La plupart des imprimantes LCD ont la réputation de ne pas être très durables, car les écrans LCD typiques ne sont pas conçus pour les conditions rencontrées dans les imprimantes 3D. La Light Processing Unit 4 de la Form 4 a une durée de vie de 600 000 à 1 900 000 couches et peut être remplacée facilement et à moindre coût par l'utilisateur.

Faire évoluer son rendement est un jeu d'enfant avec les imprimantes 3D résine de bureau. Leur format pratique facilite l'ajout d'autres imprimantes et l'augmentation de la production. De plus, certains appareils peuvent être complétés par des solutions d'automatisation. Les systèmes d'impression résine de Formlabs proposent des outils avancés tels que la Form Auto pour la Form 3/B/+, qui permet d'imprimer sans interruption grâce à un retrait automatisé des pièces. Les outils d'automatisation tels que l'écosystème automatisé de Formlabs réduisent le nombre de manipulations nécessaires dans le processus d'impression. Ils simplifient ainsi les processus dans lesquels de petites pièces, en grande partie similaires (comme les modèles dentaires), sont imprimées presque en continu.