Material Jetting VS Binder Jetting : quel procédé choisir ?
Si les procédés de fabrication additive sont nombreux, certains se ressemblent sur certains points : matériaux utilisés, source de chaleur employée, tête d’impression, etc. On pense par exemple au Material Jetting et au Binder Jetting qui consistent à jeter, projeter de la matière sur un plateau. Ces deux techniques ne sont toutefois pas identiques et sont bien deux branches distinctes dans la famille des technologies d’impression. Le jet de matière vient déposer des gouttelettes de résine photosensible qui sont alors durcies grâce à une lumière ultraviolette ; le liage de poudre projette quant à lui un liant sur un lit de poudre, liant qui permet de coller les particules de poudre entre elles. Nous avons souhaité comparer ces deux technologies afin de mieux comprendre leurs spécificités, leurs similitudes et différences, mais aussi savoir laquelle est la plus adaptée pour telle ou telle application.
Afin d’entrer dans le vif du sujet, revenons sur le contexte de développement de ces deux technologies. Le procédé de jet de matière – ou Material Jetting (MJ) – a été breveté en 1999 par le fabricant Objet Ltd. La société ayant été rachetée en 2012 par Stratasys, vous connaissez probablement davantage le terme PolyJet. Quant au liage de poudre – ou Binder Jetting (BJ) en anglais – les premiers travaux de développement ont été initiés par le MIT en 1993, travaux qui ont rapidement été repris par Z Corporation, elle-même rachetée par 3D Systems en 2012. Pour la partie Metal Binder Jetting, c’est le fabricant ExOne qui en est l’inventeur avec une première machine lancée en 1996.
Process
Comment fonctionne le jet de matière ?
Le processus de jet de matière repose principalement sur le même principe que celui de l’impression 2D : plusieurs têtes d’impression viennent déposer des gouttelettes de matière sur un plateau d’impression, à l’image de votre imprimante 2D qui applique l’encre sur la feuille de papier. Dans notre cas, le matériau utilisé est de la résine photosensible ou photopolymère : celle-ci est durcie par le passage d’une lumière UV au-dessus du plateau. Le dépôt de matière se fait en un seul passage. Une fois celui-ci effectué, le plateau d’impression est abaissé et le processus recommence.
L’utilisation de plusieurs têtes d’impression permet de combiner plusieurs types de photopolymères et de mélanger plusieurs couleurs. De plus, cela offre une vitesse d’impression rapide. Tout comme les procédés SLA, DLP ou LCD, le Material Jetting nécessite l’utilisation de structures de support, créées via un matériau soluble que l’utilisateur vient retirer une fois l’impression terminée.
Le jet de matière utilise plusieurs têtes d’impression (crédits. photo : Stratasys)
Ce procédé de fabrication additive a donné naissance au NanoParticle Jetting breveté par Xjet qui consiste à projeter des nano-particules de matériau chargées en poudre de métal ou de céramique : une fois que les gouttelettes sont déposées sur le plateau, elles s’évaporent sous l’effet de la chaleur, laissant place au métal ou céramique en question. On peut aussi évoquer ici le procédé DOD ou Drop-On-Demand qui utilise deux têtes d’impression, l’une pour le matériau de construction et l’autre pour le support. La principale différence réside dans le fait qu’on vient déposer la matière seulement là où elle est nécessaire, à l’inverse du Material Jetting qui projette le matériau de façon linéaire. Le DOD est compatible avec des matériaux plus visqueux et est principalement utilisé pour réaliser des modèles en cire pour la fonderie de précision.
Comment fonctionne le liage de poudre ?
Comme son nom l’indique, le liage de poudre repose sur l’utilisation d’un liant et d’une poudre. Concrètement, la machine vient déposer un liant sur une couche de poudre : celui-ci agit comme une colle qui permet de lier les particules entre elles. Le procédé se répète couche par couche jusqu’à l’obtention de la pièce finale. Tout comme pour le procédé de frittage laser, le binder jetting ne nécessite aucun support d’impression puisque la poudre agit comme tel. Une fois l’impression terminée, il faudra donc retirer le bac de poudre, dépoudrer la pièce et la nettoyer. Il faut donc compter quelques étapes de post-traitement supplémentaire. Sachez qu’il est possible d’ajouter de la couleur à vos impressions : il existe en effet des liants de couleur qui, une fois déposés, permettront de colorer le matériau final.
Le liage de poudre est aujourd’hui compatible avec de nombreux matériaux, notamment le métal et la céramique. En fonction du type de poudre utilisée, les étapes de fabrication seront un peu différentes. En effet, le recours au métal par exemple impliquera des étapes supplémentaires de frittage ou de recuit pour bien lier les particules de poudre entre elles et conférer à la pièce de bonnes propriétés mécaniques. A l’inverse, un moule en sable pour la fonderie par exemple sera généralement prêt à l’emploi une fois sorti de l’imprimante 3D. Mais nous reviendrons sur la question des matériaux plus tard.
Notez que la technologie développée par HP, le Multi Jet Fusion, se rapproche beaucoup du Binder Jetting dans le sens où elle utilise également un lit de poudre et un agent qui agit comme un liant. On la compare également beaucoup au SLS. Toutefois, le MJF reste un procédé à part, qui n’entre pas dans la même branche que le liage de poudre.
Caractéristiques
Commençons par le jet de matière. Comme vous l’aurez compris, c’est une technologie qui peut mélanger plusieurs couleurs et plusieurs matériaux ce qui permet la création de pièce ultra détaillées mais aussi transparentes. On pourra ainsi obtenir des structures très réalistes, un point que l’on abordera dans la partie application. Autres caractéristiques notables sont la finition de surface obtenue – on obtient généralement une surface très lisse, avec la possibilité d’avoir un effet mat ou brillant – ainsi que la grande vitesse d’impression – le recours à plusieurs têtes d’impression permet de déposer de multiples gouttes de matière à la fois plus rapidement.
Tout comme la stéréolithographie, le Material Jetting nécessitera des étapes de post-traitement ; en effet, les supports d’impression sont obligatoires et doivent donc être retirés une fois la machine arrêtée. Les résines employées étant photosensibles, elles se dégraderont si exposées à la lumière. De façon générale, les pièces produites via le jet de matière sont assez cassantes et ne présenteront pas de bonnes propriétés mécaniques. C’est pour cela que la technologie est davantage utilisée pour du prototypage visuel et esthétique. Enfin, le plateau d’impression est généralement moyen – ce n’est pas un procédé réputé pour créer des pièces très volumineuses.
Le Material Jetting offre de la transparence et de multiples détails (crédits photo : Stratasys)
Pour le Binder Jetting (on exclura pour l’instant le Metal BJ), on pourra également parler d’impression 3D multicolore même si ce n’est pas son premier avantage. On retiendra davantage la possibilité d’imprimer sans support et donc de profiter de l’ensemble de la surface du plateau. L’utilisateur sera donc capable de créer des pièces plus volumineuses (notamment avec du sable et de la céramique). Il faudra toutefois compter des étapes de post-traitement, comme aspirer l’excès de poudre.
Le liage de poudre entraîne moins de risque de warping et de distorsions comparé aux autres technologies car le procédé se fait à température ambiante. Sachez qu’il offre des propriétés mécaniques moyennes et une porosité élevée.
Le liage de poudre peut aussi produire des pièces colorées (crédits photo : Joseph Forslund/Lund University)
Si on s’intéresse au liage de poudre métallique cette fois-ci, on peut souligner que c’est un procédé qui reste moins cher que ceux qui reposent sur l’utilisation d’un laser. Moins cher mais peut-être moins intéressant sur certains points : le processus vient créer une pièce dite verte, qu’il faudra recuire ou frittée dans un four spécifique. Il faudra alors penser au rétrécissement de la pièce et aux éventuelles déformations qu’elle pourra subir. Une étape d’infiltration sera également nécessaire pour combler les vides laissés par le liant qui aura été supprimé. On se rapproche ici du moulage par injection métallique qui n’offre pas les mêmes propriétés mécaniques. C’est donc un procédé qui ne sera pas forcément adapté à la production de pièces finies. Toutefois, le MBJ offre de meilleures rugosités de surface et permettra de concevoir de plus larges pièces, du fait de l’absence de supports.
Matériaux
La technologies Material Jetting est compatible avec la majorité des polymères. En effet, associé à ce procédé, on retrouve souvent des thermoplastiques classiques tels que l’ABS et le PLA. D’autres polymères, comme le nylon et le polycarbonate sont eux aussi largement répandus auprès des utilisateurs du procédé de jet de matière.
En ce qui concerne les matériaux utilisés pour le procédé Binder Jetting, ce sont la majorité du temps des métaux, des céramiques mais aussi du sable – ils sont tous employés sous forme granulaire. Parmi les différents métaux, il est intéressant de préciser que les alliages de métaux, comme le titane, les aciers inoxydables ou bien le cuivre, sont régulièrement utilisés. De par leurs caractéristiques, ils permettent de fabriquer des pièces souvent plus résistantes et plus légères. De plus, depuis quelques années maintenant, il est également possible d’avoir recours à des polymères classiques, comme l’ABS ou le PLA. Enfin, dans certaines applications, la technologie de liage de poudre est parfois associée au sucre. Par exemple, l’entreprise The Sugar Lab, comme son nom le laisse deviner, utilise du sucre à la place des matériaux traditionnels.
Une pièce imprimée en 3D à partir de métal avec le procédé Binder Jetting (crédits photo : Kreos)
Cas d’application
Grâce à sa capacité à créer des pièces aux détails précis et aux multiples couleurs, le Material Jetting a fait ses preuves dans le secteur médical. Il permet notamment de créer des modèles anatomiques afin de faciliter le travail des médecins. Ces derniers permettent par exemple aux chirurgiens de s’entrainer durant la phase pré-opératoire, ou de montrer aux patients sur un modèle physique de quelle pathologie ils souffrent. L’intérêt principal du procédé de jet de matière réside néanmoins dans la fabrication de prototypes, principalement grâce à sa faculté à produire rapidement des pièces précises.
De son côté, la technologie de liage de poudre s’adresse à plusieurs secteurs. Par exemple, on la retrouve dans l’industrie du cinéma où elle est utilisée pour créer divers accessoires. Plus généralement, le Binder Jetting permet de fabriquer des moules de fonderie en sable. Ces moules sont destinés à être remplis de métal, avant d’être brisés. De par son faible temps de fabrication et la possibilité de produire des pièces à l’unité, ce procédé est particulièrement apprécié dans ce secteur. De plus, dans certains cas, à l’image du partenariat entre l’US Army et ExOne, cette technologie vient en aide au secteur militaire. Le fabricant d’imprimantes 3D américain a notamment développé une usine mobile d’impression 3D pour les troupes américaines, afin qu’ils puissent remplacer rapidement les pièces défectueuses. Enfin, même si c’est plus rare, le liage de poudre est utilisé dans le domaine de la joaillerie.
Des moules de fonderie imprimés en 3D (crédits photo : Voxeljet)
Principaux fabricants
Comme énoncé précédemment, c’est l’entreprise Objet Ltd. qui a développé le procédé de jet de matière en 1999. Après avoir commercialisé plusieurs machines basées sur ce procédé, la société a été rachetée en 2012 par Stratasys. Le géant américain a à son tour mis au point sa technologie de jet de matière, baptisée Polyjet. Même si Stratasys est peut-être le leader en ce qui concerne la technologie de Material Jetting, d’autres entreprises se sont également spécialisées dans ce secteur. C’est notamment le cas du fabricant japonais d’imprimantes 3D et 2D Mimaki, qui, à l’image de la 3DUJ-553, propose depuis plusieurs années des machines basées sur le même procédé. Toujours en Asie, l’entreprise israélienne Xjet a développé une technologie se rapprochant du Material Jetting. Baptisée NanoParticle Jetting, elle permet de créer des pièces grâce à des gouttelettes liquides chargées en nanoparticules de métal ou céramique. Enfin, 3D Systems a lui aussi développé son procédé baptisé MultiJet.
Le fabricant Mimaki a développé sa gamme de machines MJ
Inventée en 1993 par le MIT et reprise deux ans plus tard par Z Corporation, plusieurs entreprises font aujourd’hui figure de leader dans le domaine de l’impression 3D par liage de poudre. Comme pour la technologie de jet de matière, 3D Systems fait partie des acteurs majeurs du secteur. L’entreprise américaine, qui a racheté Z Corporation en 2012, utilise ce procédé avec des matériaux céramiques, et a nommé cette technologie ColorJet Printing. Et 3D Systems est loin d’être la seule entreprise américaine à avoir recours à ce procédé. Basé en Pennsylvanie, ExOne utilise également la technologie de Binder Jetting, mais à partir de matériaux métalliques. De l’autre côté de l’Atlantique, Digital Metal, filiale de Höganäs, est elle aussi spécialisée dans la projection de liage de poudre métallique. Enfin, l’entreprise allemande VoxelJet a quant à elle recours à ce procédé pour imprimer des pièces à partir de thermoplastiques et de céramique.
Prix
Comme vous vous en doutez, que ce soit pour le Material Jetting ou le Binder Jetting, les prix des imprimantes 3D basées sur ces procédés sont élevés. Pour la majorité d’entre elles, il faut compter plusieurs centaines de milliers d’euros. S’il n’est pas possible de fournir des prix exacts, pour de telles imprimantes il est nécessaire de demander un devis, il reste cependant possible d’estimer à peu près le coût des machines. Par exemple, la ProJet MJP 5600 de 3D Systems serait disponible pour une somme légèrement supérieure à 100 000 euros tandis que la J5 MediJet de Stratasys se rapprocherait des 60 000 euros. Les deux imprimantes étant basées sur le procédé de liage de poudre, la différence de prix peut s’expliquer par leur volume d’impression. Enfin, en ce qui concerne le budget nécessaire lors de l’acquisition de ce type d’imprimante, il est très important de prendre en compte le coût des matériaux. Évidemment, si vous souhaitez fabriquer des objets à partir d’une poudre métallique spécifique, le prix sera plus élevé que si vous utilisez des polymères classiques.
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