Peut-on imprimer du silicone en 3D ? Les meilleures imprimantes 3D de silicone et leurs alternatives

Alors que la plupart des technologies d'impression 3D existent depuis de nombreuses années, voire des décennies, les imprimantes 3D de silicone sont encore un domaine relativement nouveau et expérimental en raison de la complexité du processus. Au cours des dernières années, certaines entreprises ont mis sur le marché des imprimantes 3D de silicone, mais ces solutions présentent toutes certaines limites et des coûts trop élevés, ce qui signifie qu'elles ne conviennent pas à la plupart des entreprises et des applications. 

L'une des premières solutions pour l'impression 3D directe de silicone était un procédé de dépôt de gouttes à la demande développé par la société allemande ACEO. Le processus de dépôt à la demande implique le dépôt de petites quantités de silicone sur la plateforme de fabrication et l'utilisation d'une lumière UV pour les durcir en une pièce finie. Cependant, cette solution n'a pas réussi à trouver sa place sur le marché et a été abandonnée en 2021. 

La fabrication additive liquide (LAM) est une autre forme d'impression 3D de silicone mise au point par InnovatiQ (anciennement connue sous le nom de German RepRap). Elle consiste à répandre du silicium liquéfié sur la plateforme de fabrication et à durcir le matériau à l'aide d'un double processus de durcissement, le processus d'extrusion étant similaire au processus de fonctionnement des imprimantes 3D à dépôt de fil fondu (FDM). Le double processus de durcissement utilise de la lumière UV et de la chaleur pour former le produit fini. Toutefois, avec cette solution, les options de conception et la qualité des pièces sont limitées, et l'imprimante coûte 120 000 €.

L'exemple le plus récent d'impression 3D de silicone est la technique de fabrication additive de silicone (SAM) développée par Spectroplast. Le procédé SAM est similaire à la technique de photopolymérisation en cuve connue des imprimantes 3D stéréolithographiques (SLA) et de traitement numérique de la lumière (DLP). Normalement, les matériaux en silicone ne peuvent pas être photopolymérisés, mais la société utilise un processus spécifique pour les rendre sensibles à la lumière. Cette technologie émergente promet d'offrir le même degré élevé de liberté de conception que les autres technologies d'impression 3D résine, pour un prix de départ d'environ 100 000 €.

Parmi les principales raisons pour lesquelles les fabricants choisissent les silicones, on peut citer l'élasticité et la flexibilité de ces matériaux, qui permettent une large gamme d'applications. 

Les silicones ont généralement une dureté Shore comprise entre 10A et 80A. Les procédés d'impression 3D utilisant des polymères courants, tels que le FDM, le SLA et le SLS, offrent différents matériaux dans cette gamme de dureté, avec différents degrés de similitude pour d'autres propriétés importantes du silicone, telles que la durabilité, la stabilité thermique, la résistance aux UV, la sécurité alimentaire, la biocompatibilité, ainsi que les options de couleur et de translucidité.

Pour le dépôt de fil fondu, les élastomères tels que le polyuréthane thermoplastique (TPU) et l'élastomère thermoplastique (TPE) sont des matériaux très flexibles qui peuvent offrir une alternative au silicone. Ces matériaux sont disponibles dans le commerce à des duretés allant de Shore 45A à Shore 90A, ce qui couvre une partie de la gamme de dureté des silicones, sauf pour les matériaux les plus mous.

Les avantages associés à ces alternatives sont le prix généralement abordable des imprimantes 3D FDM et des matériaux. Les inconvénients sont toutefois une précision et une exactitude dimensionnelle moindres, une résolution, une qualité et une résistance des pièces médiocres, ainsi qu'une liberté de conception limitée qui restreignent toutes les possibilités d'utilisation dans le monde réel. Les matériaux FDM de type silicone sont généralement moins durables que le silicone standard, ne sont pas adaptés aux aliments, résistent moins bien à la température, ne sont pas translucides et n'offrent qu'une gamme limitée de couleurs ; mais ils peuvent toutefois être biocompatibles et sans danger pour la peau.

L'impression 3D stéréolithographique est populaire parmi les professionnels pour sa haute précision et sa large gamme de matériaux. L'impression 3D SLA offre de multiples alternatives au silicone qui permettent aux fabricants de prototyper des pièces semblables au silicone ou même de fabriquer des pièces d'utilisation finale ayant la flexibilité, l'élasticité et la durabilité du silicone. Les pièces SLA offrent la finition de surface la plus lisse et un degré de liberté de conception plus élevé que le FDM.

Les résines d'impression 3D flexibles semblables au silicone sont généralement moins durables que le silicone standard, ne sont pas adaptées aux aliments, ne sont pas biocompatibles (mais peuvent être sans danger pour la peau) et résistent moins bien à la température. Les matériaux SLA de type silicone peuvent être translucides et peuvent également être teintés en différentes couleurs.

La disponibilité des matériaux dépend du modèle d'imprimante, mais ils ont généralement une dureté Shore comprise entre 30A et 90A. Parmi les matériaux d'impression 3D SLA de Formlabs, les matériaux alternatifs au silicone incluent :

• Elastic 50A Resin est un matériau flexible approprié pour le prototypage de pièces normalement conçues en silicone. Ce matériau a une dureté Shore de 50A et est parfait pour réaliser des pièces qui peuvent se plier, s’étirer, être comprimées et résister à des contraintes cycliques sans se déchirer et qui retrouvent rapidement leur forme initiale. Choisissez Elastic 50A Resin pour des applications telles que les dispositifs portables, les boîtiers et enceintes extensibles, les boutons compressibles ou l'anatomie des tissus mous dans le domaine de la santé.

• Flexible 80A Resin est un matériau rigide avec une surface douce au toucher qui présente une dureté Shore de 80A et reproduit la flexibilité des silicones plus durs, du caoutchouc ou du TPU. Associant souplesse et résistance, Flexible 80A Resin peut supporter des contraintes de pliage, de flexion et de compression, même lors de cycles répétés. Elle est idéale pour réaliser des prototypes d'objets tels que des poignées, des prises, des surmoules, des rembourrages, des amortisseurs, des absorbeurs de chocs, des joints, des garnitures et des masques, ou encore pour l'anatomie des cartilages, des tendons et des ligaments dans le domaine de la santé.

• Bien que légèrement plus dure que les autres matériaux en silicone, Rebound Resin est un matériau d'impression 3D élastique avec une dureté Shore de 86A qui offre des propriétés uniques pour les applications finales. Avec une résistance au déchirement cinq fois supérieure, une résistance à la rupture par traction trois fois supérieure et un allongement deux fois supérieur à ceux des autres matériaux élastomères pour la production disponibles sur le marché, Rebound Resin est parfaite pour imprimer en 3D des pièces souples et résistantes. L’allongement élevé de Rebound Resin en fait le matériau parfait pour les pièces tactiles et extensibles comme les poignées ou les manches. Elle est suffisamment résistante pour supporter des compressions ou des tensions constantes, et est donc parfaite pour fabriquer des joints complexes et durables.

L'impression 3D à frittage sélectif par laser (SLS) est le procédé de fabrication additive le plus utilisé dans le secteur industriel. Elle offre une grande précision, un rendement élevé et une liberté de conception presque illimitée, car la poudre non frittée supporte la pièce pendant l’impression, ce qui évite d’avoir à lui ajouter des structures de support.

Les matériaux SLS ayant des propriétés semblables à celles du silicone comprennent le TPU, le TPE et le TPA, qui offrent des plages de dureté comprises entre 45A et 90A Shore. La disponibilité exacte dépend du modèle d'imprimante.

Les pièces produites avec des matériaux SLS de type silicone sont précises, durables, résistantes à l'abrasion et à l'usure, et présentent la plus grande résistance à la température des trois procédés d'impression 3D plastique. Ils peuvent être biocompatibles, sans danger pour la peau et également sans danger pour les aliments après un post-traitement. En revanche, l'impression SLS n'offre qu'un nombre limité de couleurs et aucune option de transparence. De plus, les modèles à parois fines peuvent se déformer lors du refroidissement.

Si vous souhaitez produire des pièces similaires au silicone, l'impression 3D peut vous aider à combler le fossé entre le prototypage et la production en série de pièces en silicone avec les méthodes de fabrication traditionnelles.

Le moulage par injection, le thermoformage, le moulage par compression et le moulage de silicone utilisent tous des moules pour créer le produit fini en silicone. Cependant, passer par des sous-traitants pour produire l'outillage entraîne des coûts initiaux élevés et des délais d'exécution de plusieurs semaines ou mois, ce qui ralentit le développement de produits et la commercialisation.

Intégrer l'impression 3D d'outillage rapide dans le processus de développement de produits permet aux entreprises de valider la conception et les matériaux avant de passer à la production en série, et de produire des pièces personnalisées ou des séries limitées de pièces finales à moindre prix.

L’équipe ATAP de Google a utilisé des gabarits imprimés en 3D, ou des pièces de substitution, au lieu des circuits imprimés surmoulés pour le réglage initial de l’outillage en usine.

Des concepteurs du laboratoire Advanced Technology and Projects (ATAP) de Google ont pu réduire les coûts de plus de 100 000 € et réduire leur cycle de test de trois semaines à seulement trois jours en utilisant une combinaison d’impression 3D et de moulage par insertion. L’équipe ATAP a découvert qu’en imprimant en 3D des pièces de test plutôt que d’utiliser des pièces électroniques coûteuses qui devaient être livrées par un fournisseur, elle pouvait gagner du temps et de l’argent.

Dame Products est une start-up de Brooklyn qui conçoit des produits pour l’industrie de la santé et du bien-être. Ses employés utilisent le moulage par insertion en silicone pour encapsuler les composants internes de leurs prototypes en version bêta, destinés aux clients. Les produits de la ligne réalisée par Dame Products présentent des géométries ergonomiques complexes, entièrement recouvertes d’un silicone aux couleurs vives sans risque pour la peau.

Le moulage d'inserts en silicone est également parfait pour la fabrication de petits volumes de pièces d'utilisation finale. Le fabricant de prothèses avancées Psyonic utilise ce procédé pour créer des doigts de prothèses de mains dont le noyau dur imprimé en 3D est surmoulé de silicone, tandis que le fabricant de robots RightHand Robotics utilise le même procédé pour créer des pinces pour robots.

L'outillage rapide imprimé en 3D pour le moulage par compression peut être utilisé pour produire des pièces en thermoplastique, silicone, caoutchouc et composite. Chez le fabricant d'appareils de cuisine OXO, les développeurs de produits utilisent des moules imprimés en 3D pour mouler par compression du silicone en deux parties, et ainsi créer des prototypes de composants en caoutchouc (joints, etc.).

Le coulage est également une méthode courante pour produire des pièces en silicone et en plastique pour des dispositifs médicaux, des applications d'audiologie, alimentaires, etc.

Cosm, une entreprise de dispositifs médicaux, fabrique des pessaires spécifiques pour les patients souffrant de troubles du plancher pelvien. Ils impriment des moules en 3D avec une imprimante 3D SLA et y injectent du silicone biocompatible de qualité médicale pour créer la pièce. L'outillage rapide imprimé en 3D leur permet de créer des pièces personnalisées sans les coûts élevés de l'outillage traditionnel.

L'impression 3D de moules pour embouts auriculaires personnalisés a également révolutionné le secteur de l'audiologie, pour des applications telles que les appareils auditifs, la protection contre le bruit et les écouteurs sur mesure. La production numérique offre un meilleur contrôle et une meilleure précision par rapport au moulage traditionnel, ce qui réduit considérablement la quantité d'erreurs et de retouches.

Le moulage de silicone est également utilisé dans l'industrie du divertissement. Jaco Snyman, fondateur de l'entreprise primée spécialisée dans les effets de maquillage et la fabrication d'accessoires Dreamsmith Studio, a utilisé toutes sortes de techniques pour la série de science-fiction « Raised by Wolves ». Tirant parti du grand volume de fabrication de l'imprimante 3D SLA Form 3L, Snyman a créé une réplique en silicone hyperréaliste du corps d'une actrice, des masques en silicone pour acteurs, des mannequins à taille humaine, etc.

Bien que les imprimantes 3D de silicone directes coûtent encore très cher, il existe de nombreuses façons de tirer parti des avantages de l'impression 3D pour produire des pièces en silicone ou semblables au silicone.

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