Guide de l'impression 3D de pièces étanches : comparaison des technologies FDM, SLA et SLS

Dans divers secteurs, tels que la recherche marine, la robotique sous-marine, l'ingénierie des technologies durables, l'industrie pétrolière et gazière et la défense, des pièces personnalisées hermétiques et étanches au gaz sont souvent requises pour de faibles volumes de production. 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.

Dans le cadre d'une coopération entre Formlabs et l'Undersea Robotics and Imaging Lab (URIL) de l'université de Rhode Island, des assemblages en plusieurs parties ont été imprimés à l'aide des procédés de dépôt de fil fondu (FDM), de stéréolithographie (SLA) et de frittage sélectif par laser (SLS), puis testés dans une chambre de pression sous l'eau. Les résultats de ces essais, ainsi que les diagrammes, les recommandations concernant les joints toriques et les instructions de conception, sont disponibles dans le livre blanc.

L'étanchéité désigne quant à elle la capacité d'un objet à empêcher l'eau d'y entrer ou d'en sortir. Elle est donc étroitement liée à la conception du boîtier ou de l'assemblage en question, plutôt que de reposer uniquement sur la nature fondamentale du matériau. Cependant, si l'on considère la pression que subissent ces pièces lors de leur descente sous la surface, les propriétés spécifiques des matériaux jouent un rôle plus important. L'expérience menée par l'URIL porte sur la conception, la méthode de scellement et les propriétés des matériaux.

Les applications sous-marines ont toujours été réservées aux entreprises disposant de fonds importants et capables de construire des machines et des équipements personnalisés coûteux. L'impression 3D pourrait changer la donne, car elle permet de fabriquer des pièces personnalisées pour la recherche et le développement à une fraction du coût des méthodes traditionnelles. Pour mettre en œuvre avec succès une solution sous-marine imprimée en 3D, le type de technologie et de matériau utilisé doit être soigneusement évalué. 

Les technologies SLA et SLS sont toutes deux largement utilisées dans les domaines de l'ingénierie et de la recherche, mais elles offrent également des performances optimales dans différentes situations. La technologie SLS est remarquable pour la production en faible volume de pièces à usage final. De plus, elle dispose d'un catalogue de matériaux bien connus, comme le nylon et le polyuréthane thermoplastique, et permet de créer des pièces durables et de qualité industrielle. Les imprimantes SLA excellent lorsqu'une finition de surface lisse et des propriétés des matériaux très spécifiques sont requises. Dans ce test, la finition de surface lisse des pièces moulées par SLA et leur densité ont contribué à une performance optimale dans un environnement pressurisé.Les imprimantes à dépôt de fil fondu (FDM) sont souvent utilisées pour le prototypage rapide, mais elles ne permettent pas de créer des pièces étanches et ne sont donc pas utilisées dans des applications étanches. 

La technologie d'impression 3D la plus connue, le dépôt de fil fondu (FDM), ne permet pas de créer des pièces étanches. De cette incapacité découle l'idée fausse selon laquelle, en général, les pièces imprimées en 3D ne peuvent pas être utilisées dans des applications étanches. La technologie FDM est basée sur l'extrusion de plastique fondu à travers une buse, qui dépose le matériau couche par couche, mais sans liaison chimique entre elles. 

Les pièces imprimées par FDM sont anisotropes, ce qui signifie qu'elles ont des propriétés mécaniques différentes selon la direction dans laquelle la contrainte mécanique s'exerce sur elles et qu'elles sont moins denses qu'un objet similaire imprimé à l'aide d'autres méthodes. Les couches n'étant pas chimiquement liées entre elles, les liquides peuvent s'infiltrer à la surface de la pièce par les interstices microscopiques entre les couches. Les boîtiers imprimés sur des imprimantes FDM ne sont donc pas étanches, à moins que les pièces ne soient fortement post-traitées et fermées après une étape supplémentaire telle que le lissage à la vapeur ou le revêtement. Ces pièces implosent sous la pression et se fissurent le long des lignes de couche. 

Si vous devez créer des pièces étanches à l'air avec des imprimantes 3D FDM, vous pouvez tirer parti de certaines techniques pour tenter d'améliorer l'étanchéité, notamment en concevant la pièce sans interstices, fissures ou autres ouvertures, ainsi qu'en recourant à la « surextrusion » et à l'utilisation de couches plus épaisses. En outre, certaines étapes supplémentaires de post-traitement, telles que le ponçage, le chanfreinage et le revêtement, restent nécessaires. Les boîtiers imprimés sur des imprimantes FDM ne sont donc pas étanches, à moins que les pièces ne soient fortement post-traitées et fermées après une étape supplémentaire telle que le lissage à la vapeur ou le revêtement. 

Les pièces imprimées en 3D par stéréolithographie (SLA), à l'inverse, sont étanches, car chaque couche est chimiquement liée à la suivante. Les pièces imprimées par SLA sont formées par un processus dans lequel un laser polymérise de la résine liquide, une couche à la fois, en liant les chaînes de polymères à l'intérieur de cette couche ainsi qu'avec les couches qui la précèdent et la suivent directement. Ce procédé crée des finitions de surface lisses, pratiquement sans lignes de couche, et une surface non poreuse à travers laquelle l'eau ne peut pas pénétrer. Ces pièces ont des tolérances extrêmement bonnes, de sorte que les assemblages à plusieurs composants, tels que les boîtiers utilisés pour les tests de cet article, peuvent être enfilés les uns dans les autres sans qu'il y ait le moindre espace d'air entre eux. Lorsqu'ils sont associés à un joint d'étanchéité, les boîtiers deviennent complètement étanches et peuvent résister à des pressions extrêmement élevées.

Pour la création de pièces, la technologie de frittage sélectif par laser (SLS) fritte une section transversale de la pièce sur un lit de poudre, qui est ensuite recouvert d'une nouvelle couche de poudre. Ce processus se répète couche par couche jusqu'à ce que la pièce soit entièrement formée. Les pièces obtenues sont dans une certaine mesure isotropes, mais peuvent présenter des propriétés mécaniques différentes selon le sens d'application de la force. Les pièces SLS sont étanches lorsqu'elles sont conçues avec les tolérances et les techniques de scellement appropriées.  

Comme nous l'avons déjà mentionné, l'étanchéité d'un boîtier dépend à la fois de l'étanchéité des composants eux-mêmes et de la conception de la pièce, c'est-à-dire de la manière dont ces composants sont assemblés. Les techniques d'impression 3D SLA et SLS peuvent créer des composants avec des tolérances si étroites que les boîtiers emboîtables ou ceux avec des pièces filetées peuvent être complètement étanches sans nécessiter d'étapes supplémentaires. Toutefois, dans des environnements extrêmement pressurisés, tels que ceux testés dans cet essai, des mesures supplémentaires telles que l'utilisation de joints toriques peuvent accroître l'efficacité des boîtiers. 

L'Undersea Robotics and Imaging Laboratory (URIL) de l'université de Rhode Island a pour mission de démocratiser la recherche en eaux profondes. Grâce à des imprimantes 3D abordables comme la Form 3+ et la Form 3L grand format, il est aujourd'hui possible de concevoir et de fabriquer des instruments très complexes pour l'exploration en eaux profondes et de partager les conceptions avec la communauté scientifique. 

L'URIL a publié plusieurs études sur ses recherches en eaux profondes, notamment un guide sur la conception inédite du DEEPi, un système d'acquisition et de contrôle d'images en eaux profondes, une étude sur l'utilisation de systèmes de stabilisation passifs pour permettre d'imprimer en SLA sur une embarcation en mouvement, et une analyse de l'utilisation du biomimétisme dans la conception de boîtiers en se basant sur la forme des nautiloïdes. 

Brennan Philips, chercheur principal, et Breanna Motsenbocker, étudiante en doctorat, effectuent depuis des années des itérations de leurs caméras sous-marines et de leurs boîtiers robotisés, et ont publié plusieurs articles pour illustrer les résultats de leurs travaux. Le laboratoire a publié sa conception de source ouverte afin de rendre le processus de fabrication accessible aux communautés qui ne disposent pas des fonds nécessaires à la collecte de données ou à la recherche sous-marine.

L'URIL a mis à disposition les deux modèles, l'un utilisé dans les essais à paroi mince et l'autre, non testé, à paroi plus épaisse, sous forme de code source ouvert pour une reproduction publique. Pour accéder à ces modèles, téléchargez le livre blanc complet. 

Philips et Motsenbocker, en collaboration avec d'autres équipes de recherche, ont également étudié comment les conceptions biomimétiques peuvent améliorer la fonctionnalité de leurs boîtiers étanches. Dans un article publié en octobre 2023, des équipes de chercheurs ont observé comment la coquille de Nautilus pompilius (un membre de la famille des mollusques) empêche l'eau de pénétrer à l'intérieur, même à des profondeurs extrêmes. Les résultats pourraient nous éclairer sur la manière dont les morphologies complexes de leurs coquilles peuvent indiquer des géométries résistantes à la pression comparables aux géométries « idéales » actuellement utilisées dans la robotique marine en eaux profondes, c'est-à-dire des sphères et des cylindres simples, dont le rapport surface/volume est réduit au minimum et dont le processus de fabrication est plus facile. Pour découvrir les résultats complets de leur recherche, lisez l'article publié dans la revue.

Lors de ses essais, l'URIL a réussi à utiliser aussi bien des joints toriques que des obturateurs d'alésage, mais elle préfère les joints toriques. 

Une fois les diamètres intérieur et extérieur de l'interne choisis, un joint torique à étanchéité frontale peut être sélectionné sur la base du diamètre intérieur. Le joint torique doit bien s'adapter à la surface entre l'embout et le corps de base du boîtier. Les joints toriques de taille 2 selon la norme AS568, c'est-à-dire les joints toriques d'une épaisseur de cordon de 3,53 mm, donnent le scellement le plus fiable pour les pièces imprimées en 3D SLA. Pour connaître les recommandations et les conclusions spécifiques de l'URIL, téléchargez le livre blanc dans son intégralité. 

Les technologies FDM, SLA et SLS ont été utilisées pour la fabrication des boîtiers. Le boîtier en Nylon 12 GF Powder a été imprimé sur l'imprimante SLS Fuse 1+ 30W, tandis que les autres matériaux (Grey Resin, Clear Resin, BioMed Amber Resin et Rigid 10K Resin) ont été imprimés sur l'imprimante SLA Form 3+. Les pièces imprimées par FDM sur une imprimante Craftbot avec du filament d'acide polylactique se sont avérées absorber l'eau immédiatement après l'immersion et ont donc été éliminées des tests. 

Les résultats ont démontré que l'impression 3D SLA et SLS sont des méthodes efficaces pour créer des boîtiers étanches lorsqu'elles sont associées à des joints toriques, l'impression 3D SLA s'imposant nettement, certaines pièces ayant résisté à la pression maximale équivalente à des profondeurs de 4000 m sous le niveau de la mer. Les pièces imprimées par FDM se sont révélées inadaptées à cette application, car elles prennent l'eau dès qu'elles sont immergées et ne peuvent résister à aucune pression.

Les matériaux SLA plus rigides ont fait preuve des meilleures performances sous pression. Des méthodes de post-traitement comme le sablage permettent d'améliorer encore les performances en réduisant la porosité de surface. Pour accéder aux performances complètes et voir comment chaque matériau s'est comporté, téléchargez notre livre blanc.

Pour en savoir plus sur la robotique sous-marine et sur la manière de tirer parti des imprimantes 3D et des matériaux pour fabriquer des enceintes totalement étanches et résistantes à la pression, contactez notre équipe, qui pourra vous mettre en relation avec des experts du réseau Formlabs travaillant actuellement sur ces applications.