Les imprimantes 3D les plus rapides : comparez la vitesse des impressions 3D FDM, SLA et SLS

La stéréolithographie couvre plusieurs procédés d'impression 3D résine qui impliquent l'utilisation de la lumière pour durcir la résine liquide, le plus souvent à travers un bac à fond transparent, en imprimant les pièces couche par couche à l'envers sur une plateforme de fabrication qui est abaissée dans le bac. Il s'agit notamment de la stéréolithographie laser (SLA), du traitement numérique de la lumière (DLP) ou encore de la stéréolithographie masquée (MSLA, également connue sous le nom d'impression 3D LCD).

Les vitesses d'impression typiques varient en fonction du type de processus d'impression 3D résine, les plus rapides étant les technologies MSLA et DLP. La dernière génération d'imprimantes 3D MSLA, à laquelle appartiennent la Form 4 et la Form 4L de Formlabs, s'appuie sur la combinaison d'un puissant système d'impression et d'un système optique avancé pour polymériser chaque couche presque instantanément.

• La vitesse d'impression SLA peut être similaire pour des pièces individuelles et des volumes de production entièrement remplis. Alors que le laser des imprimantes SLA doit parcourir une grande surface pour polymériser la résine, les imprimantes MSLA et DLP polymérisent chaque couche presque instantanément. Comme des couches entières sont durcies en une seule fois, il n'y a pratiquement pas de différence de vitesse entre les tâches d'impression comportant de nombreuses pièces et celles qui n'en contiennent qu'une seule, ce qui permet d'augmenter le rendement.
• Les vitesses d'impression SLA sont influencées par les composants de l'imprimante. La qualité et les performances du moteur d'impression et du système optique influencent la quantité de lumière qui atteint le bac et ont un impact direct sur les délais d'impression. D'autres facteurs, tels 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 de réduire le temps d'impression.
• Les impressions SLA nécessitent un post-traitement, mais celui-ci peut généralement être automatisé. Après l'impression, les pièces SLA doivent être lavées avec de l'alcool ou de l'éther pour éliminer tout excès de résine, et certaines pièces nécessitent également une post-polymérisation pour leur permettre d'atteindre les propriétés optimales du matériau. Ces deux étapes peuvent être automatisées grâce à des solutions de post-traitement avancées.

La Form 4 et la Form 4L ont été conçues pour fabriquer des pièces aussi rapidement que 100 mm par heure en utilisant des matériaux spécialement conçus tels que Fast Model Resin.. La plupart des impressions réalisées avec la Form 4 sont effectuées en moins de deux heures, quel que soit le matériau, ce qui permet d'effectuer plusieurs itérations de conception par jour. Avec la Form 4L, l'impression prend généralement moins de six heures. Même dans le cas de pièces atteignant la hauteur maximale de l'imprimante ou de séries de production à haut volume, avec des pièces occupant la totalité de la plateforme d'impression, le processus peut être achevé en moins d'une journée et permet des itérations le jour même.

Tous les procédés d'impression 3D sont devenus plus rapides au fil du temps, mais aucun ne peut rivaliser avec les progrès de l'impression résine.Lorsque cette vitesse est cumulée jour après jour et semaine après semaine, les avantages en termes de rendement sont extraordinaires. La Form 4 et la Form 4L peuvent désormais atteindre la vitesse des technologies à haut rendement telles que le moulage par injection. L'impression de chambres entières en quelques heures, plusieurs fois par jour, peut égaler le rendement d'une machine de moulage par injection avec des volumes moyens, mais sans le coût initial élevé de l'équipement.

Les imprimantes 3D SLS sont plus rapides que les imprimantes 3D FDM, car leurs lasers haute puissance balayent les différentes couches de poudre plus rapidement qu'une buse d'extrudeuse ne peut se déplacer sur un lit d'impression FDM. Cependant, le mouvement du laser est tout de même plus lent que l'illumination de la source lumineuse utilisée dans les technologies d'impression résine DLP ou MSLA. 

Bien qu'il ne s'agisse pas techniquement du temps d'impression, le temps de refroidissement de la chambre de fabrication doit également être pris en compte dans l'impression 3D SLS. Comme le laser fritte la poudre à une température extrêmement élevée, la chambre doit refroidir avant de pouvoir être post-traitée, ce qui peut entraîner un délai global plus long pour les pièces.

Ce temps combiné d'impression et de traitement des pièces SLS n'est cependant généralement pas un problème pour la production. Bien que la vitesse d'impression de certaines pièces puisse être plus longue qu'avec d'autres technologies, le volume de production plus important et le lit d'impression autoportant qui permet d'imbriquer les pièces assurent un excellent rendement global de l'impression 3D SLS.

Par exemple, une chambre de fabrication entièrement remplie sur la Fuse 1+ 30W peut être terminée pendant la nuit, tandis que le refroidissement se fait pendant la journée en dehors de l'imprimante, ce qui permet de fournir des pièces le jour même et d'assurer un rendement 24/7.

• La vitesse d'impression 3D SLS dépend de la taille de la pièce. Les pièces plus grandes le long des axes X/Y prennent plus de temps à imprimer, car le laser doit parcourir une plus grande surface. En optimisant la trajectoire du laser sur la Fuse 1+ 30W, Formlabs a réussi à réduire les temps d'impression de 25 %.
• Les vitesses d'impression SLS sont influencées par les composants de l'imprimante. La vitesse d'impression dépend fortement de la puissance du laser. Par exemple, la Fuse 1+ 30W utilise un puissant laser de 30W pour obtenir un meilleur rendement. Une tâche d'impression normale ne prend que 7 heures et les tâches avec une densité d'agencement de 95 % prennent 14 heures à peine.
• Les pièces SLS nécessitent un post-traitement, mais celui-ci est très efficace. Le post-traitement SLS peut être assez court, car de nombreuses étapes peuvent être automatisées avec des machines telles que la Fuse Sift et la Fuse Blast, et il n'y a pas de supports à retirer, ce qui permet aux utilisateurs de passer de pièces imprimées à des pièces finies de manière professionnelle en 15 minutes seulement.

Bien que l'impression 3D SLS ne soit pas le meilleur choix pour produire une pièce unique le plus vite possible, la combinaison d'un faible coût par pièce, d'une productivité élevée, d'un post-traitement efficace et de matériaux éprouvés fait du SLS un choix populaire pour les fabricants et une alternative rentable au moulage par injection pour la fabrication de petites séries ou de pièces provisoires.

Comme chaque technologie d'impression 3D produit des pièces en couches, plus une pièce est grande le long de l'axe Z, plus il faudra de temps pour l'imprimer.

Toutefois, l'impression de pièces plus larges et plus longues ou de plusieurs pièces le long des axes X et Y n'augmente pas nécessairement le temps d'impression. Les procédés d'impression 3D qui durcissent des couches entières en une seule fois (MSLA, DLP) impriment plus rapidement les grandes pièces et les tâches d'impression remplies que les technologies qui nécessitent qu'une buse parcourt de plus longues distances (FDM) ou que les couches soient tracées une à une (SLA laser, SLS).

Comprendre comment mesurer la résolution en impression 3D, en particulier dans un large éventail de technologies, implique l'analyse d'une pièce imprimée sur 3 axes : Z (vertical) et X/Y (horizontal). La résolution de l'axe Z est fortement influencée par la hauteur des couches, tandis que la résolution X/Y est influencée par un certain nombre de facteurs différents en fonction de la technologie d'impression 3D utilisée.

La hauteur des couches (résolution de l'axe Z) influence la vitesse de tous les types d'imprimantes 3D. Si une impression est composée de couches plus épaisses, il faut imprimer moins de couches, ce qui réduit le temps total d'impression.

Avec les imprimantes 3D FDM, il existe un compromis important entre le temps d'impression et la résolution. Avec des couches plus épaisses, moins de couches sont imprimées au total, ce qui réduit le temps d'impression, mais entraîne aussi des lignes de couches plus visibles et une surface moins lisse.

Certaines imprimantes FDM offrent aux utilisateurs la possibilité d'augmenter la vitesse à laquelle l'extrudeuse dépose le filament ou se déplace sur la zone d'impression. En outre, les utilisateurs peuvent également installer des buses plus grandes qui peuvent déposer plus de matériau plus rapidement, mais qui diminuent la résolution X/Y/Z. Cependant, chacune de ces options se traduit par une précision et une résolution moindres, un état de surface inférieur et d'autres résultats indésirables.

Les imprimantes 3D SLA offrent une haute résolution quelle que soit la hauteur de la couche. Les imprimantes résine peuvent diriger la lumière de manière extrêmement précise sur la résine liquide, ce qui permet d'obtenir des pièces avec une finition de surface supérieure, même lors de l'impression de couches plus épaisses. Certes, les lignes de couche sont un peu plus visibles sur les surfaces courbes, mais pour la plupart des pièces, il n'y a guère de différence visible entre 50 et 100 microns de hauteur de couche qui justifierait de doubler le temps d'impression. La résolution X/Y dépend de la résolution du projecteur ou de l'écran LCD, ou de la taille du spot laser et de la précision avec laquelle il peut être contrôlé. Ces caractéristiques sont définies par les spécifications du matériel et sont généralement supérieures à celles de tous les autres procédés (50 microns ou moins).

Comme pour les imprimantes SLA, la résolution est moins importante pour les imprimantes 3D SLS. Le laser utilisé dans les imprimantes 3D SLS peut fusionner des particules avec précision, et les pièces imprimées ne présentent généralement pas de lignes de couche visibles. La plupart des imprimantes SLS ne permettent même pas aux utilisateurs de modifier la résolution : la résolution Z n'est pas réglable, tandis que la résolution X/Y est définie par les spécifications du matériel.

Le choix des matériaux peut avoir un effet mesurable sur le temps global d'impression. Les imprimantes 3D FDM, SLA et SLS impriment toutes des polymères, mais le chauffage/l'extrusion, la post-polymérisation et le frittage sont des processus très différents.

Avec les imprimantes 3D FDM, le type de filament peut faire une grande différence en termes de vitesse d'impression 3D. En général, les matériaux faciles à imprimer, comme le PLA et le PETG, sont les filaments d'impression les plus rapides. La vitesse d'impression des matériaux techniques tels que l'ABS et le nylon est légèrement inférieure. Cependant, les matériaux souples comme le TPU doivent être imprimés beaucoup plus lentement pour garantir des taux de réussite plus élevés.

Lorsque vous imprimez avec une imprimante 3D FDM, il est toujours préférable de commencer par un réglage plus lent pour s'assurer que les premières couches adhèrent correctement au lit d'impression (et les unes aux autres) avant d'augmenter la vitesse. Une vitesse d'impression plus élevée est également plus susceptible d'entraîner des échecs d'impression et une baisse générale de la qualité d'impression : l'optimisation de la qualité sur une imprimant 3D FDM rapide nécessite beaucoup de tâtonnements.

Dans l'impression 3D SLA, l'opacité des résines ainsi que la concentration des photo-initiateurs et autres agents de polymérisation ajoutés par le fabricant peuvent affecter la vitesse d'impression.

Par exemple, Fast Model Resin, la résine la plus rapide de Formlabs, a une concentration plus élevée de photo-initiateurs et est capable d'imprimer à des vitesses de plus de 100 mm par heure sur la Form 4. Il est ainsi possible d'imprimer de petits modèles en quelques minutes et un modèle complet en moins de deux heures.

En général, les résines transparentes s'impriment un peu plus rapidement parce qu'elles ont une plus grande profondeur de polymérisation, ce qui signifie que la source lumineuse doit passer moins de temps à polymériser chaque couche. En outre, les résines à haute viscosité, telles que les résines chargées de verre ou celles utilisées en dentisterie pour les prothèses dentaires, s'impriment généralement plus lentement que les résines à faible viscosité. Comme pour le FDM, les matériaux flexibles s'impriment également plus lentement que les matériaux rigides.

Avec les imprimantes 3D SLS, le nylon 12 est le matériau le plus utilisé et généralement le plus rapide, mais tous les autres matériaux offrent des vitesses d'impression comparables, y compris les matériaux flexibles.

Même si l'on pense que la complexité est gratuite en impression 3D (par rapport aux procédés conventionnels comme le fraisage ou le moulage par injection), ce n'est pas tout à fait vrai lorsqu'il s'agit de la vitesse d'impression.

La complexité du modèle a un léger effet négatif sur les temps d'impression pour les imprimantes 3D FDM, SLA laser et SLS. Cela s'explique par une raison similaire au fait que les dimensions X/Y influencent davantage le temps d'impression pour certaines imprimantes que pour d'autres : ces imprimantes doivent tracer la géométrie de chaque couche, ce qui prend plus de temps pour les formes plus complexes. Toutefois, comme les imprimantes MSLA et DLP polymérisent une couche entière en une seule fois, les pièces plus complexes ne sont pas synonymes de vitesses plus lentes. 

L'autre aspect, généralement plus important, est celui des structures de support. Dans l'impression FDM et SLA, des structures de support sont souvent nécessaires pour imprimer avec succès des pièces plus complexes, comme celles qui présentent de nombreuses caractéristiques en surplomb. Une fois la tâche d'impression terminée, les structures de support doivent être retirées, et les irrégularités de la pièce finie doivent être poncées.

_{Les imprimantes 3D SLA de Formlabs utilisent des supports légers qui sont faciles à retirer, ce qui réduit les opérations de post-traitement.}

Non seulement les structures de support allongent la durée du post-traitement et utilisent des matériaux précieux, mais elles peuvent également allonger la durée du processus d'impression, en particulier pour les imprimantes 3D FDM et SLA à laser unique.

L'impression 3D SLS ne nécessite pas l'utilisation de supports car la poudre non frittée maintient la structure imprimée en place. Par conséquent, l'impression SLS ne nécessite pas de gaspiller de la poudre et du temps pour créer des structures de support.