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RÉSUMÉ
La stéréolithographie par photopolymérisation d’une résine liquide est la première technologie de fabrication additive brevetée en 1984. Il s’agit d’une photopolymérisation d’une résine résolue en surface, l’objet souhaité étant fabriqué couche par couche (d’où l’expression de fabrication additive). Cet article présente les principes de cette technologie, les différents procédés et leurs limitations et, quand c’est possible, des moyens de les contourner. Cette technologie optique dispose d’un champ d’applications très important même si les autres méthodes de fabrication additive tentent de supplanter la méthodologie historique, limitée par l’utilisation de matériaux spécifiques.
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Jean-Claude ANDRÉ : Directeur de recherche au CNRS LRGP – UMR7274 CNRS-UL, Nancy, France
INTRODUCTION
La fabrication additive, créée dans les années 1980-1990, possède aujourd’hui sept technologies de base. Si toutes reposent sur un principe d’addition de volumes élémentaires appelés voxels, la première (en 1984) est liée à une photopolymérisation résolue dans l’espace, d’une résine induite par de la lumière, provenant de lasers UV ou IR. Elle est appelée stéréophoto lithographie ou plus simplement Stéréo Lithographie (SL).
Le procédé consiste à polymériser une couche de monomère liquide par de la lumière selon un tracé informatisé, puis à déposer une deuxième couche polymérisée selon le même principe, etc. La pièce se construit ainsi de proche en proche. Depuis, le procédé dit « à un photon » s’est amélioré à la fois en termes de procédé et de résines monomériques, le choix des sources lumineuses s’étant diversifié. De plus, ce qui était difficilement envisagé à l’époque, a pu être démontré : une polymérisation dite « à deux photons » induite par des lasers pulsés évite, comme le montre l’article, de passer par une étape complexe de mise en place de couches de résines. Les principes y sont définis avec l’émergence de contraintes optiques, chimiques, physiques, informatiques, et avec des propositions de compromis acceptables qui permettent aujourd’hui de maintenir la stéréolithographie dans le rang de tête des sept technologies de base de la fabrication additive.
L’article se termine par une présentation d’une liste (non exhaustive) des fabricants de machines de stéréolithographie.
Un glossaire et un tableau de symboles sont présentés en fin d’article.
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Résines de stéréolithographie
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6. Déformations lors de la polymérisation photochimique
Considérons un voxel parapéllipédique placé contre la paroi de la cuve de photopolymérisation, collé à cette paroi, sa déformation se fera au moment où la lumière entraînera la polymérisation sur la partie libre. Comme celle-ci est absorbée selon une loi exponentielle (Beer-Lambert), les éléments supérieurs polymérisent plus vite que ceux qui se trouvent dans les couches profondes et, par suite, se déforment plus rapidement ; c’est ce que montre la figure 27 concernant le principe d’une modélisation de la déformation temporelle d’un voxel, et la figure 28 correspondant aux résultats d’une simulation faisant l’hypothèse d’un retrait de 0,15 en pourcentage illustrant semi-quantitativement le phénomène d’anisotropie du retrait.
Sur cette base, il est possible de faire l’hypothèse que l’on fabrique une poutre horizontale semi-libre à la surface du fluide réactif voxel après voxel (déplacement du faisceau lumineux par pas et non en continu). Comme ces éléments s’attachent les uns aux autres, l’histoire du premier va jouer sur la forme et la position du second, etc. C’est ce que montre la figure 29 illustrant, dans cet exemple caricatural, l’effet du retrait sur la forme d’une poutre (on s’affranchit dans cette simulation des autres aspects physico-chimiques).
Pour pallier cet inconvénient, la première démarche est de rechercher s’il est possible de réduire le retrait volumique lors de la polymérisation induite par de la lumière. On atteint en partie cet objectif en remplaçant les monomères par des oligomères pour lesquels des retraits de quelques pour cent peuvent être obtenus. Toutefois, dans ces conditions, c’est la viscosité qui peut devenir un critère déterminant puisqu’elle joue sur le temps de mise en place des couches. Plusieurs innovations peuvent être engagées avec des résines spéciales (fournies par les fabricants disposant d’un couple retrait-viscosité optimisé) et des méthodes astucieuses de stabilisation des couches de résine ou de réalisation de couches en plusieurs étapes. La première consiste à fabriquer des voxels indépendants (figure 30), d’attendre que chaque voxel « perde sa mémoire », puis de polymériser...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ANDRÉ (J.C.), Le MÉHAUTÉ (A.), De WITTE (O.) - « Dispositif pour réaliser un modèle de pièce industrielle ». - Brevet français n° 84 11 241, 16.07.1984 (1984).
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(2) - VAEZI (M.), SEITZ (H.), YANG (S.) - « A review on 3D micro-additive manufacturing technologies ». - Int. J. Adv. Manuf. Technol., 67, 1721-1754 (2013).
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(3) - HAGUE (R.), REEVES (P.), JONES (S.) - « Innovate UK – Mapping UK research and innovation in additive manufacturing » - <https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/496991/CO307_Mapping_UK_Capability_AM_WL_Print_.pdf> (2016).
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(4) - BOUFFARON (P.) - « Impression 3D : Les prémisses d’une nouvelle (r)évolution industrielle » - ambassade de France aux Etats-Unis 48 pp. http://sf.france-science.org/wp-content/uploads/2014/11/SMM14_025.pdf (2014).
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(5) - OBATON (A.F.), BERNARD (A.), TAILLANDIER (G.), MOSCHETTA (J.M.) - « Fabrication...
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