Lit en poudre et tête d’impression jet d’encre 3D

L’impression 3D par jet d’encre et à jet d’encre, connue sous le nom de «projection de liant» et de «goutte sur poudre» – ou simplement «impression 3D» (3DP), est une technologie de prototypage rapide et de fabrication additive permettant de fabriquer des objets décrits à l’aide de données numériques, tels que un fichier de CAO.

Histoire
Cette technologie a été développée pour la première fois au Massachusetts Institute of Technology en 1993 et ​​en 1995, Z Corporation a obtenu une licence exclusive. Le terme « impression tridimensionnelle » est une marque déposée de la même manière.

La description
Comme dans beaucoup d’autres processus de fabrication additive, la pièce à imprimer est construite à partir de nombreuses coupes minces du modèle 3D. Une tête d’impression à jet d’encre se déplace sur un lit de poudre, déposant sélectivement un liant liquide. Une fine couche de poudre est étalée sur toute la section et le processus est répété, chaque couche adhérant à la dernière.

Lorsque le modèle est terminé, la poudre non liée est automatiquement et / ou manuellement éliminée selon un processus appelé « dépulpage » et peut être réutilisée dans une certaine mesure.

La partie débarrassée de la poudre peut éventuellement être soumise à divers infiltrants ou autres traitements pour produire les propriétés souhaitées dans la partie finale.

La technologie
En impression 3D, les pièces à usiner sont construites couche par couche. Les données 3D (par exemple, les données de CAO) sont utilisées pour calculer la géométrie à générer pour chaque couche individuelle. En impression 3D, une couche de poudre ou de granulés est appliquée sur une table ajustable en hauteur et collée à l’aide d’un liant aux points appartenant à la pièce. Ceci est similaire à une imprimante à jet d’encre classique, une tête d’impression usagée, qui applique le liant à la place de l’encre. Ensuite, la table est abaissée d’une épaisseur de couche et une nouvelle couche de poudre est appliquée. Ceci est répété jusqu’à ce que la pièce soit complètement formée, qui est ensuite complètement cachée par la poudre environnante. Ensuite, la poudre surnageante est renvoyée pour une utilisation ultérieure, la pièce à travailler est retirée de l’imprimante et débarrassée des résidus de poudre.

Le principe du procédé est donc similaire à celui de la fusion sélective au laser, dans laquelle une poudre de métal est fondue localement par un laser.

Matériaux
Dans les applications originales, l’amidon et le plâtre de gypse remplissaient le lit de poudre, le « liant » liquide étant principalement constitué d’eau pour activer le plâtre. Le liant comprend également des colorants (pour l’impression couleur) et des additifs permettant d’ajuster la viscosité, la tension superficielle et le point d’ébullition en fonction des spécifications de la tête d’impression. Les pièces en plâtre résultantes manquent généralement de « résistance verte » et nécessitent une infiltration de cire fondue, de colle cyanoacrylate, d’époxy, etc. avant toute manipulation régulière.

Bien que la technologie à jet d’encre conventionnelle ne soit pas nécessairement utilisée, diverses autres combinaisons poudre-liant peuvent être utilisées pour former des objets par des moyens chimiques ou mécaniques. Les pièces résultantes peuvent ensuite être soumises à différents régimes de post-traitement, tels que l’infiltration ou la cuisson au four. Cela peut être fait, par exemple, pour éliminer le liant mécanique (par exemple, par combustion) et consolider le matériau de noyau (par exemple, par fusion), ou pour former un matériau composite mélangeant les propriétés de la poudre et du liant. Selon le matériau, l’impression couleur peut ou non être une option. Depuis 2014, les inventeurs et les fabricants ont développé des systèmes permettant de former des objets en sable et en carbonate de calcium (formant un marbre synthétique), en poudre acrylique et en cyanoacrylate, en poudre céramique et en liant liquide, en sucre et en eau (pour la confection de bonbons), etc. Les premiers produits disponibles dans le commerce intégrant le graphène étaient des composites en poudre utilisés dans l’impression 3D de têtes à jet d’encre en poudre.

La technologie d’impression 3D a un potentiel limité pour faire varier les propriétés du matériau dans une seule construction, mais est généralement limitée par l’utilisation d’un matériau de base commun. Dans les systèmes Z Corporation d’origine, les sections transversales sont généralement imprimées avec des contours pleins (formant une coque solide) et un motif intérieur de densité inférieure pour accélérer l’impression et assurer la stabilité dimensionnelle pendant le durcissement de la pièce.

Caractéristiques
En plus de la couleur volumétrique obtenue par l’utilisation de plusieurs têtes d’impression et d’un liant coloré, le processus d’impression 3D est généralement plus rapide que d’autres technologies de fabrication additive, telles que la projection au jet de matière de modélisation par dépôt fondu qui nécessite 100% de matériau de construction et de support à déposer à la résolution souhaitée. . En impression 3D, la majeure partie de chaque couche imprimée, quelle que soit sa complexité, est déposée selon le même processus d’étalement rapide.

Comme pour les autres technologies de poudrage, les structures de support ne sont généralement pas nécessaires car la poudre libre supporte les caractéristiques en surplomb et les objets empilés ou suspendus. L’élimination des structures de support imprimées peut réduire le temps de fabrication et l’utilisation de matériau et simplifier à la fois l’équipement et le post-traitement. Cependant, le dépoussiérage peut être une tâche délicate, fastidieuse et longue. Certaines machines automatisent donc le dépulpage et le recyclage de la poudre dans la mesure du possible. Comme tout le volume de construction est rempli de poudre, comme dans le cas de la stéréolithographie, le moyen d’évacuer une pièce creuse doit être intégré dans la conception.

Comme pour les autres procédés en poudre, l’état de surface et la précision, la densité des objets et, en fonction du matériau et du processus, la résistance de la pièce peut être inférieure à des technologies telles que la stéréolithographie ou le frittage laser sélectif. Bien que les propriétés dimensionnelles « asymétriques » et asymétriques soient des caractéristiques de l’impression 3D comme la plupart des autres procédés de fabrication par couches, les supports d’impression 3D sont généralement consolidés de manière à minimiser la différence entre la résolution verticale et la résolution dans le plan. Le processus se prête également à la pixellisation des couches aux résolutions cibles, processus rapide pouvant prendre en charge des solides qui se croisent et d’autres artefacts de données.

Le prix des imprimantes 3D à jet d’encre et à jet d’encre varie généralement entre 50 000 et 2 000 000 USD. Il existe toutefois un kit de bricolage amateur vendu à 800 USD pour convertir une imprimante FDM grand public en une imprimante jet d’encre / poudre.

Avantages et inconvénients
Théoriquement, tous les matériaux peuvent être utilisés tant qu’ils peuvent être collés au liant. En particulier, des aliments ou des substances sensibles à la température, tels que des médicaments, peuvent être traités. De plus, il est possible d’utiliser différents liants au sein d’une même pièce pour créer des zones avec des propriétés mécaniques différentes. En tant que liant, de nombreuses substances peuvent être utilisées. Par exemple, ceux à base d’eau, de résine synthétique ou de cellules vivantes. En principe, les poudres ne doivent pas obligatoirement être identiques dans chaque couche.

En outre, dans le liant par jet, similaire au frittage laser, aucun matériau de support n’est nécessaire car la pièce est portée par la poudre pendant le processus de production.

Cependant, l’impression 3D ne fournit pas une pièce très solide. En particulier lors de l’utilisation de métaux comme matériaux, les pièces à usiner doivent ensuite être retirées du liant et frittées pour assurer une résistance suffisante. Cela conduit à un rétrécissement, de sorte que la géométrie finale est difficile à définir à l’avance, mais elle est fondamentalement gérable avec une expérience suffisante.