Guide de l'impression 3D stéréolithographique (SLA)

L'impression 3D SLA utilise une source lumineuse pour polymériser la résine liquide en objets 3D en exposant une cuve ou un bac à résine à une source lumineuse qui la durcit. Dans les imprimantes 3D SLA traditionnelles, la source lumineuse est placée au-dessus de la cuve de résine liquide. La stéréolithographie inversée, introduite pour la première fois en 2011 par les cofondateurs de Formlabs, Max Lobovsky, David Cranor et Natan Linder, place la source lumineuse sous la cuve de résine : la section transversale est tracée sur la couche de résine la plus basse, qui est remplie lorsque la plateforme de fabrication se soulève et permet à la résine liquide de s'écouler sous la couche précédemment durcie.

Plusieurs innovations importantes ont conduit à l'invention de la stéréolithographie inversée, notamment le bac à résine à fond transparent (et éventuellement flexible). Cette nouvelle conception de bac a permis la création d'imprimantes 3D SLA inversées de plus grande taille, car les forces de décollement ont été atténuées par la surface flexible.

Les imprimantes 3D SLA utilisent de la lumière pour polymériser des matériaux thermodurcissables réactifs à la lumière, appelés « résine ». Lorsque les résines SLA sont exposées à certaines longueurs d'ondes de lumière, les chaînes moléculaires courtes fusionnent, polymérisant les monomères et les oligomères pour les transformer en formes solides rigides ou flexibles.

Au cours de la dernière décennie, plusieurs nouveaux types de procédés d'impression 3D résine ont été développés, se différenciant principalement par le type de source lumineuse qu'ils utilisent. Il s'agit notamment de la stéréolithographie laser (SLA), du traitement numérique de la lumière (DLP) ou encore de la stéréolithographie masquée (MSLA, souvent utilisée de manière interchangeable avec l'impression 3D LCD).

Indépendamment de la direction de la source lumineuse ou du type de source lumineuse, le flux de travail de l'impression 3D SLA est simple. Une fois l'impression de la pièce terminée, une étape de lavage à l'alcool ou à l'éther est nécessaire pour éliminer l'excès de résine liquide de la surface de la pièce. Ensuite, en fonction du matériau, une étape de post-polymérisation peut être nécessaire pour achever la polymérisation de la pièce et lui permettre d'atteindre ses propriétés optimales. D'autres méthodes de post-traitement telles que la coloration, le revêtement ou le placage peuvent être utilisées pour des applications spécifiques ou pour des raisons esthétiques.

Le procédé d'impression 3D SLA apparaît pour la première fois au début des années 80, avec l'invention par le chercheur japonais Dr. Hideo Kodama de la stéréolithographie moderne par couches, utilisant la lumière UV pour faire durcir les polymères photosensibles. Le terme stéréolithographie est inventé par Charles (Chuck) W. Hull, qui brevète la technologie en 1986 et crée l'entreprise 3D Systems pour la commercialiser. Charles (Chuck) W. Hull décrit ce procédé comme la création d'objets en 3D grâce à « l'impression » successive de fines couches d'un matériau durcissant au contact de la lumière UV. Les premières imprimantes 3D SLA étaient des systèmes industriels de grande taille, dont le prix dépassait souvent 100 000 $ et qui nécessitaient une infrastructure et une maintenance complexes. 

Mais l'impression 3D SLA n'est pas la première technique d'impression 3D à jouir d'une grande popularité. Alors que certains brevets pour différentes technologies d'impression 3D commencent à expirer à la fin des années 2000, l'apparition d'imprimantes 3D à dépôt de fil fondu (FDM) petit format permet de démocratiser la fabrication additive. Bien que cette technologie abordable basée sur l'extrusion ait déclenché la première vague d'adoption et de sensibilisation à l'impression 3D, les imprimantes 3D FDM ne répondaient pas à l'ensemble des besoins des professionnels.

Formlabs a lancé la Form 2 en 2015 ainsi qu'une gamme plus large de matériaux; l'impression 3D SLA est ainsi devenue une solution plus accessible pour les utilisateurs professionnels dans différents domaines.

Grâce à ces caractéristiques, l'impression 3D devient accessible pour de nombreuses applications personnalisées et haute précision dans différents domaines, dont l'ingénierie, la conception de produits, la production industrielle, la dentisterie, la joaillerie et bien d'autres secteurs encore.

À mesure que les applications se développaient, la technologie est devenue de plus en plus populaire et adoptée. Aujourd'hui, la stéréolithographie est le procédé d'impression 3D plastique le plus répandu, de même que le dépôt de fil fondu (FDM) et le frittage sélectif par laser (SLS).

En 2019, Formlabs a lancé la Low Force Stereolithography™ (LFS) et les imprimantes 3D SLA Form 3 et Form 3L, qui utilisent des bacs à résine à fond flexible. Cela réduit considérablement les forces exercées sur les pièces lors du décollement de la pièce durcie du fond du bac pendant le processus d'impression. La LFS est une forme avancée de stéréolithographie qui offre une qualité de surface et une précision d'impression incroyables. Les forces d’impression réduites permettent également d’utiliser des supports à points de contact réduits qui se retirent facilement, rendant ainsi le post-traitement plus facile. L'introduction de la LFS a ouvert des possibilités pour des matériaux avancés, prêts à la production, y compris des résines souples et extensibles telles que Silicone 40A Resin et des résines à haute charge de verre telles que Rigid 10K Resin.

Les itérations successives ont fait de la série Form la première imprimante 3D professionnelle au monde, avec 140 000 unités vendues et plus de 400 millions de pièces imprimées en 2024.

En 2024, Formlabs a poussé encore plus loin cette technologie d'impression 3D résine puissante et accessible en commercialisant la Form 4 et la Form 4B, dotées d'un système d'impression MSLA nouvelle génération appelé Low Force Display™ (LFD).

L'accessibilité et le coût abordable de ces imprimantes de bureau et d'atelier grande puissance ont rendu possibles de nouveaux modes de production. Les entreprises peuvent augmenter progressivement la production de l'impression 3D, intégrer leur chaîne d'approvisionnement en interne et accroître leur flexibilité et leur adaptabilité face à des conditions de marché incertaines. En ajoutant de nouveaux matériaux, les entreprises peuvent avoir accès à de nouvelles applications.

L'unité d'éclairage est au cœur du système d'impression LFD. L'unité d'éclairage haute puissance utilise 60 LED et des lentilles de collimation pour émettre une projection lumineuse uniforme. La lumière traverse le réseau de lentilles, ce qui la rend plus collimatée (autrement dit plus parallèle) et plus uniforme, éliminant ainsi les points sombres ou lumineux. 

De là, la lumière passe par la Light Processing Unit (LPU) 4, où des filtres et des caches masquent la lumière pour lui donner la forme de la couche d'impression. Une fois que la lumière atteint la résine liquide à l'intérieur du bac, toute la surface se transforme en une couche solide. La plateforme de fabrication se soulève alors, et l'axe Z détache avec précision la couche imprimée du fond du bac à résine.

Par le passé, les forces de décollement constituaient un point négatif important dans l'impression 3D SLA, car elles obligeaient les utilisateurs à choisir entre la qualité des pièces imprimées, la fiabilité ou la rapidité d'exécution. Avec la Form 4, les forces de décollement sont minimisées, ce qui permet à l'imprimante d'optimiser la qualité, la fiabilité et la vitesse. La partie supérieure de la LPU 4 est dotée d'une texture de décollement, un film optique microtexturé exclusif qui maintient un flux d'air empêchant un effet d'aspiration entre le bac à résine et la LPU.

Utilisez n’importe quel logiciel de CAO ou n’importe quelles données de scan 3D pour concevoir le modèle, puis exportez-le dans un format de fichier imprimable en 3D (STL ou OBJ).Ensuite, il faut importer la conception numérique dans un logiciel de préparation à l'impression pour spécifier les paramètres d'impression et découper le modèle numérique en couches pour l'impression. Le logiciel de préparation d'impression de Formlabs, PreForm, est téléchargeable gratuitement et permet de soutenir et d'orienter automatiquement vos pièces.

Les utilisateurs avancés peuvent concevoir des modèles spécialement pour le processus SLA et, par exemple, évider des pièces pour économiser du matériau.

Le logiciel de préparation de l'impression envoie la pièce à l'imprimante, généralement via une connexion internet sans fil, USB ou Ethernet. 

Les imprimantes SLA inversées utilisent des bacs et des plateformes de fabrication amovibles qui facilitent le changement de matériaux et le lancement d'une nouvelle impression. Les imprimantes SLA plus perfectionnées, comme les imprimantes Formlabs, utilisent également un système de cartouche qui remplit automatiquement le matériau pendant l'impression. Cela signifie qu'après une confirmation rapide de la configuration correcte, le processus d'impression commence et la machine peut fonctionner sans surveillance jusqu'à ce que l'impression soit terminée.

Pour les imprimantes 3D SLA Formlabs, l'outil en ligne Dashboard vous permet également de gérer à distance les imprimantes, les matériaux et les équipes.

Pour retirer les pièces de la plateforme de fabrication, les imprimantes 3D SLA offrent des méthodes différentes – la plupart sont manuelles et nécessitent de gratter les pièces. Le système Formlabs Build Platform Flex permet de retirer rapidement et facilement les pièces de la plateforme de fabrication tout en réduisant le travail manuel et en améliorant la qualité de vos pièces en évitant les rayures. 

Après avoir retiré les pièces de la plateforme de fabrication, il faut les rincer dans de l'alcool isopropylique (IPA) ou de l'éther afin d'éliminer toute résine non durcie de leur surface. La Form Wash et la Form Wash L grand format de Formlabs ont été conçues pour optimiser le processus de lavage, en éliminant facilement l'excès de résine et en réduisant le temps global de post-traitement.

Une fois que les pièces rincées sont sèches, certains matériaux nécessitent une post-polymérisation, un processus qui permet d'améliorer la résistance et les performances des pièces et d'atteindre les propriétés optimales du matériau. La Form Cure et la Form Cure L grand format de Formlabs contrôlent précisément la température et la lumière pour fournir une post-polymérisation constante et de haute intensité.

Enfin, retirez les supports des pièces puis poncez les traces de supports restantes pour des finitions nettes. Les pièces SLA peuvent être facilement usinées, apprêtées, peintes, et assemblées pour des finitions et des applications spécifiques.

Certaines pièces peuvent également bénéficier d'étapes supplémentaires telles que le sablage, le revêtement, le placage ou le sablage. Ces méthodes avancées de post-traitement d'impression 3D résine permettent d'obtenir des propriétés spécifiques, par exemple en rendant les pièces mieux adaptées aux applications extérieures grâce à la protection contre les UV, ou en augmentant leur résistance mécanique grâce à la galvanoplastie ou à l'utilisation d'une solution céramique telle que le Cerakote.

Plus les entreprises s'appuient sur l'impression 3D pour la production et l'itération rapide des conceptions, plus la vitesse d'impression prend de l'importance dans le choix de la technologie. Bien que des progrès aient été réalisés en matière de vitesse d'impression 3D dans toutes les technologies, l'impression 3D SLA s'est imposée comme le processus d'impression 3D le plus rapide qui soit.

Certains procédés d'impression 3D résine sont plus rapides que d'autres : les procédés SLA à laser polymérisent généralement chaque couche plus lentement que les technologies DLP ou MSLA (LCD), qui peuvent polymériser une section entière en une seule exposition rapide de la source lumineuse.

Formlabs a fait de la vitesse d'impression la plus élevée de l'industrie une priorité : la Form 4 a été conçue pour fabriquer des pièces à 100 mm par heure en utilisant des matériaux spécialement conçus comme Fast Model Resin, mais la plupart des impressions avec la Form 4 se terminent en moins de deux heures, quel que soit le matériau utilisé. Des pièces de grande taille faisant toute la hauteur de l'imprimante peuvent être imprimées en cinq heures avec la plupart des matériaux, ce qui permet aux équipes de conception de produire plusieurs itérations par jour.

Lorsque cette vitesse est cumulée jour après jour et semaine après semaine, les avantages en termes de rendement sont extraordinaires. La Form 4 peut désormais atteindre la vitesse des technologies à haut rendement telles que le moulage par injection. En imprimant des volumes de fabrication complets pendant quelques heures et plusieurs fois par jour, vous pouvez atteindre le rendement d'une presse à injecter de volume moyen, sans les longs délais d'exécution et les coûts initiaux élevés des outils de production.

Les résines SLA sont incroyablement polyvalentes et il existe des centaines de formulations différentes. Les matériaux peuvent être mous ou durs, fortement chargés en matériaux secondaires comme du verre ou de la céramique, présenter des propriétés mécaniques comme une température de fléchissement sous charge élevée ou une résistance aux chocs. Qu'ils soient spécialisés pour un secteur, comme les résines dentaires, ou destinés au prototypage, nos matériaux sont formulés pour résister à de nombreux tests et fonctionner au mieux sous contraintes.

De nombreux fabricants d'imprimantes SLA formulent et fabriquent également leurs propres résines à utiliser dans un système fermé, bien que certains proposent une plateforme ouverte permettant d'utiliser n'importe quelle résine, et d'autres des résines d'autres entreprises en marque blanche.

Comme ces résines sont formulées spécifiquement pour les imprimantes 3D SLA, elles ne sont pas tout à fait similaires aux thermoplastiques familiers comme le nylon ou l'ABS utilisés dans les méthodes traditionnelles de fabrication de plastique comme le moulage par injection. Bien que le choix de la résine la mieux adaptée à une application spécifique puisse nécessiter des essais et l'examen de fiches techniques et de guides d'application, il existe une résine SLA pour presque toutes les applications possibles : l'énorme variété des propriétés mécaniques et esthétiques disponibles facilite la création d'un flux de travail optimisé et efficace.

L'exactitude et la précision sont primordiales pour touts les secteurs, de la fabrication à la dentisterie, et l'impression SLA est l'une des solutions d'impression 3D les plus précises actuellement disponibles sur le marché.

La précision se réfère au degré de concordance avec les dimensions du modèle CAO, et l'exactitude se définit comme le nombre de fois où vous pouvez produire la même dimension. Par rapport à la précision de l'usinage, les imprimantes 3D SLA professionnelles se situent entre l'usinage standard et l'usinage fin. Toutefois, la précision varie d'un fabricant d'imprimantes 3D résine à l'autre et peut dépendre du type de source lumineuse utilisée pour polymériser la résine, de la qualité des composants, ainsi que de l'ingénierie et de l'étalonnage nécessaires pour que ces composants fonctionnent ensemble. La précision dépend également du matériau : les matériaux rigides sont plus précis et plus faciles à imprimer que les matériaux souples.

Par exemple, lors de l'impression 3D de modèles plus grands (caractéristiques de 81 à 150 mm) sur la Form 4/B, les tolérances dimensionnelles typiques sont de ±0,3 % (limite inférieure : ±0,15 mm) lorsque l'on utilise Grey Resin. Pour les pièces plus petites et les applications spécifiques, la précision de la surface peut même être optimisée davantage : lorsque des modèles de restauration sont imprimés en 3D en Precision Model Resin, >95 % de la surface imprimée se situe à moins de 50 μm du modèle numérique.

L'environnement de fabrication chauffé et fermé des imprimantes 3D SLA de Formlabs offre des conditions presque identiques pour chaque impression. Une plus grande exactitude est également liée à une température d'impression plus basse par rapport aux technologies basées sur le thermoplastique qui font fondre le matériau brut. La stéréolithographie utilisant la lumière au lieu de la chaleur, le processus d'impression se produit à une température proche de la température ambiante et les pièces imprimées ne souffrent pas de déformations dues à la contraction et la dilatation thermiques.

Le système d'impression LFD de la Form 4, en particulier l'écran à cristaux liquides haute résolution et les lentilles de collimation incluses dans la LPU 4, crée des coupes transversales extrêmement précises de chaque pièce. Grâce aux faibles forces de la texture de décollement et au bac à film flexible, la précision est reproduisible et permet d'obtenir des pièces de haute précision. 

Les imprimantes 3D SLA sont considérées comme la référence pour la création de pièces lisses présentant des détails fins. Les pièces en résine imprimées en 3D peuvent facilement avoir un aspect comparable aux méthodes de fabrication traditionnelles telles que le moulage par injection, sans qu'aucun post-traitement ne soit nécessaire. À l'inverse, les pièces imprimées en 3D par FDM présentent souvent des lignes de couche visibles et les pièces imprimées en 3D par SLS présentent souvent une texture granuleuse et légèrement rugueuse à la surface.

La qualité de la surface des pièces imprimées en 3D par SLA se prête à la création de produits finis qui ressemblent à des biens de consommation produits en série. Ce processus permet également de créer de l'outillage rapide.

Par rapport aux imprimantes 3D FDM, les imprimantes 3D SLA donnent des détails plus fins, similaires à ceux des imprimantes 3D SLS. La lumière dans les imprimantes 3D en résine peut être dirigée pour produire des formes beaucoup plus précises qu'une extrudeuse à filament, ce qui permet des détails plus petits ou des parois plus fines. En outre, comme la lumière des imprimantes SLA peut être moins puissantes que les lasers nécessaires pour faire fondre la poudre dans les imprimantes 3D SLS, elle peut durcir la résine avec une plus grande précision, ce qui permet d'obtenir des caractéristiques plus petites.

L'impression 3D créant les pièces couche par couche, les pièces terminées peuvent présenter des variations de résistance en fonction de l'orientation des pièces lors de l'impression, avec des propriétés différentes au niveau des axes X, Y et Z.

Les procédés d'impression comme le dépôt de fil fondu (FDM) sont connus pour être anisotropes en raison des différences entre chaque couche créées par le procédé d'impression. Cette anisotropie limite l'utilité de la technologie FDM pour certaines applications ou nécessite plus d'ajustements au niveau de la forme de la pièce pour compenser.

En revanche, les imprimantes 3D résine SLA créent des pièces hautement isotropes. Il est possible d'obtenir des pièces isotropes en se basant sur un certain nombre de facteurs strictement contrôlables si l'on intègre la chimie des matériaux au processus d'impression. Au cours de l'impression, les composants de la résine forment des liaisons covalentes, mais entre chaque couche, la pièce reste en phase « brute », la réaction étant à moitié terminée.

En état « brute », la résine conserve des groupes polymérisables pouvant former des liaisons entre les couches, conférant son isotropie et son étanchéité à la pièce au moment de la polymérisation finale. Au niveau moléculaire, il n'existe aucune différence entre les plans X, Y ou Z. Cela permet d’obtenir des pièces aux propriétés mécaniques prévisibles, essentielles pour les applications comme des gabarits, des fixations, des pièces finales et des prototypes fonctionnels.

Les pièces étanches à l'eau et au gaz, sur mesure ou produites en petites quantités, sont également recherchées dans plusieurs secteurs, tels que la recherche marine, la robotique sous-marine, l'ingénierie des technologies durables, les industries pétrolières et gazières, et la défense. Bien que certaines technologies d'impression 3D constituent une solution idéale pour ces pièces, la perception commune des pièces fabriquées de manière additive est qu'elles sont poreuses et ne peuvent pas être déployées dans des environnements pressurisés.

Ces dernières années, cependant, cette hypothèse a été complètement réfutée. Les imprimantes SLA peuvent créer des boîtiers étanches et des pièces complètement imperméables. Des institutions telles que le National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) et l'université de Rhode Island ont fait d'incroyables progrès dans le domaine de la recherche marine en mettant en œuvre des tests et des équipements de recherche imprimés en 3D SLA de haute qualité et à faible coût.

Les résines standard de Formlabs sont formulées pour assurer la rapidité et la cohérence de la création de pièces dans toute une série d'applications et de secteurs. Des pièces gris mat pour les prototypes aux pièces transparentes imprimées avec Clear Resin pour les modèles et les moules transparents, les résines standard sont les couteaux suisses de l'impression 3D SLA. Les dernières résines standard de Formlabs développées pour la Form 4 permettent d'atteindre de nouveaux sommets en termes de vitesse, de propriétés mécaniques et de résolution : Fast Model Resin peut imprimer à une vitesse de 100 mm par heure et Grey Resin offre une résistance à l'impact 30 % plus élevée.

Les résines techniques de Formlabs ont été formulées pour répondre à des besoins spécifiques dans les flux de travail de l'ingénierie et de la fabrication, et permettent de nouvelles applications, d'optimiser les opérations et de simplifier les essais sur le terrain. Ces matériaux sont conçus pour égaler ou dépasser les capacités des matériaux utilisés habituellement dans le secteur tels que l'ABS, le silicone ou le PEEK. Il s'agit de matériaux extrêmement rigides et robustes capables de résister aux chocs et de matériaux souples et flexibles capables de se plier et de se déformer au cours de cycles répétés. Nos matériaux spécialisés comprennent des résines antistatiques ou ignifuges, ainsi que des matériaux techniques qui n'ont jamais été accessibles auparavant pour l'impression 3D de bureau, tels que la céramique et le silicone.

Pour les professionnels dentaires, les écosystèmes Formlabs offrent un flux de travail complet et simplifié qui garantit des pièces précises à chaque fois : aucun ajustement ou calibrage n'est nécessaire. Qu'il s'agisse de grands laboratoires et de cabinets produisant plusieurs types de dispositifs ou de petites entreprises spécialisées dans certaines indications, la Form 4B et la gamme de résines dentaires offrent des solutions pour tous.

Pour les professionnels de la santé, les résines BioMed de Formlabs sont des matériaux de qualité médicale pour des applications exigeant performance et biocompatibilité. Les matériaux de notre famille de résines BioMed sont développés et fabriqués dans une installation certifiée ISO 13485 et sont compatibles avec les méthodes courantes de désinfection et de stérilisation.

Les résines de joaillerie Formlabs sont conçues pour reproduire de manière fiable des sertissages nets, des griffes fines, des anneaux lisses et des motifs détaillés. Elles permettent à tout un chacun, des détaillants et des créateurs produisant des bijoux personnalisés aux grandes entreprises de fonderie fabriquant à grande échelle, de produire des pièces d'essai pour les clients, des bijoux personnalisés prêts à être moulés ou des modèles de moules réutilisables pour les bijoux.

L'impression 3D SLA peut aider les entreprises à éliminer les coûts élevés et les longs délais associés à l'externalisation ou à des méthodes alternatives plus compliquées comme l'usinage. L'impression 3D n'a pas besoin d'installation ni d'outillage coûteux : le même équipement peut être utilisé pour produire rapidement différentes formes.

L'impression 3D peut revêtir des aspects différents selon les types de professionnels. De nombreuses grandes entreprises, telles que Microsoft ou Rivian, choisissent d'avoir une installation en interne, où les ingénieurs, les concepteurs et les équipes de fabrication demandent des pièces à un laboratoire centralisé. D'autres entreprises, en particulier celles qui sont axées sur la conception et l'itération et dont le personnel possède un haut niveau d'expertise en CAO, préfèrent une approche décentralisée avec une imprimante sur le bureau de chaque concepteur. Des machines de bureau accessibles et abordables comme la Form 4 rendent ces types de flux de travail possibles et peuvent offrir des solutions agiles pour une main-d'œuvre et un environnement de bureau en constante évolution.

Qu'elle soit centralisée ou décentralisée, l'impression 3D en interne permet aux employés de mieux contrôler leurs flux de travail et de réduire les coûts et les incertitudes pour l'ensemble de l'entreprise.

En fonction du nombre de pièces et du volume d'impression, l'investissement dans une imprimante 3D petit format peut atteindre le seuil de rentabilité en quelques mois. Avec des imprimantes petit format, l'entreprise peut ne payer que pour la capacité d'impression correspondant à ses besoins puis augmenter la production en ajoutant des imprimantes supplémentaires au fur à mesure que la demande progresse. Utiliser plusieurs imprimantes 3D offre également la possibilité d'imprimer simultanément des pièces en différents matériaux.

Pour faciliter la gestion de plusieurs imprimantes 3D résine, les clients de Formlabs ont accès à deux plateformes logicielles. Dashboard est une plateforme logicielle gratuite qui les aide à surveiller leurs imprimantes et à optimiser le processus de gestion. Pour des capacités supplémentaires et des outils de gestion avancés, Fleet Control attribue automatiquement les impressions et rend la gestion des imprimantes multiples plus efficace.