Garantir la précision dimensionnelle des pièces imprimées 3D

Introduction

Cet article vise à fournir aux ingénieurs et concepteurs une méthode pour comparer la précision dimensionnelle attendue des technologies d'impression 3D. Bien que toutes aient forces et faiblesses, les 2 facteurs les plus déterminants pour savoir si une pièce s'imprimera selon les spécifications sont :

• Design — La précision dépend fortement du design. Variations de refroidissement et polymérisation créent des contraintes internes menant à gauchissement ou retrait. L'impression 3D ne convient pas aux surfaces planes ou longs éléments fins non supportés. La précision diminue aussi quand la taille des pièces augmente. Recommandations de design spécifiques par technologie au Chapitre 5 de la Base de Connaissance.
• Matériaux — Comme le design, la précision dépend du matériau. Souvent, la précision est sacrifiée pour améliorer une propriété spécifique. Ex. : résine SLA standard produit des pièces plus précises que résine flexible. Pour pièces où la haute précision est critique, matériaux standards recommandés.

Variables de précision

Pour quantifier la précision d'une pièce imprimée 3D, les paramètres suivants seront utilisés :

• Précision dimensionnelle — valeurs quantitatives des fabricants de machines et fournisseurs de matériaux indiquant la précision attendue. Toutes tolérances énoncées concernent des pièces bien conçues sur machines bien calibrées.
• Gauchissement ou retrait — probabilité qu'une pièce gauchisse ou rétrécisse pendant l'impression. Dépend fortement du design, mais certains procédés produisent des pièces intrinsèquement plus à risque.
• Exigences de support — pour beaucoup de technologies, la quantité de support détermine la précision d'une surface ou caractéristique. Inconvénient : le support affecte la finition de surface car il doit être retiré.

Pour le détail minimum et la taille de détail par technologie, voir ici. L'impact de la hauteur de couche est discuté dans cet article.

FDM

Le Fused Deposition Modeling (FDM) convient au prototypage bas coût où forme et ajustement priment sur fonction. Le FDM produit pièces couche par couche en extrudant un thermoplastique sur un plateau.

Pour grandes pièces, cela peut créer de grandes variations de température sur le plateau. Différentes zones refroidissant à des vitesses différentes, les contraintes internes déforment l'impression : gauchissement ou retrait. Solutions : radeaux (rafts), plateau chauffant, rayons aux arêtes vives et coins.

Différents matériaux sont plus ou moins sujets au gauchissement. Ex. : l'ABS gauchit plus que le PLA.

Tolérance dimensionnelle	± 0,5 % (limite basse : ± 0,5 mm) - bureau ± 0,15 % (limite basse : ± 0,2 mm) - industriel
Retrait/gauchissement	Thermoplastiques nécessitant température d'impression plus élevée = plus à risque. Rayon sur arête inférieure en contact plateau ou brim recommandés. Retrait généralement 0,2-1 % selon matériau.
Exigences support	Essentiel pour pièce précise. Requis pour porte-à-faux > 45°.

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SLA

Les imprimantes SLA (stéréolithographie) utilisent un laser pour polymériser UV des zones spécifiques d'une cuve de résine, formant une pièce solide section transversale par section. Ces zones polymérisées ne sont pas à pleine résistance avant post-traitement UV. De ce fait et des angles/orientations typiques d'impression SLA, l'affaissement de portées non supportées peut survenir.

Comme une couche se construit à la fois, cet effet devient cumulatif, menant aux écarts dimensionnels parfois vus sur pièces SLA hautes. Des écarts peuvent aussi survenir du fait du processus de décollement (peeling) de certaines imprimantes SLA. La force de traction pendant le décollement peut faire plier l'impression molle, s'accumulant couche après couche.

Résines aux propriétés de flexion plus élevées (moins rigides) sont plus à risque de gauchissement et peuvent ne pas convenir aux applications haute précision.

Tolérance dimensionnelle	± 0,5 % (limite basse : ± 0,10 mm) - bureau ± 0,15 % (limite basse : ± 0,01 mm) - industriel
Retrait/gauchissement	Probable pour portées non supportées.
Exigences support	Essentiel pour pièce précise.

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SLS

Le Selective Laser Sintering (SLS) produit des pièces haute précision et peut imprimer des designs géométriquement complexes. Un laser fritte sélectivement la poudre couche par couche pour former une pièce solide.

Pour limiter gauchissement/retrait, les imprimantes SLS utilisent des chambres de construction chauffées qui portent la poudre juste en dessous de la température de frittage. Cela crée dennoch des gradients thermiques dans les grandes pièces SLS : le bas a refroidi pendant que les couches supérieures récentes restent chaudes. Pour atténuer davantage le gauchissement, les pièces restent dans la poudre pour refroidir lentement (souvent 50 % du temps total de build).

Tolérance dimensionnelle	± 0,3 % (limite basse : ± 0,3 mm)
Retrait/gauchissement	Retrait généralement 2-3 % mais la plupart fournisseurs SLS l'anticipent dans le design.
Exigences support	Non requis.

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Material Jetting

Le Material Jetting est considéré comme la forme d'impression 3D la plus précise. Comme il n'y a pas de chaleur dans le processus, gauchissement et retrait surviennent rarement.

La plupart des problèmes de précision dimensionnelle concernent caractéristiques et parois fines imprimées sous les spécifications de l'imprimante. Le MJ imprime le support comme structure solide en matériau secondaire souple, retiré après impression. La nature solide du support entraîne des surfaces en contact imprimées à haute précision. Attention : les pièces MJ peuvent gauchir et changer dimensionnellement suite à exposition chaleur ambiante, humidité, ou lumière solaire.

Tolérance dimensionnelle	± 0,1 % (limite basse : ± 0,05 mm)
Retrait/gauchissement	Non problématique pour le Material Jetting.
Exigences support	Essentiel pour pièce précise.

Impression 3D métal

L'impression métal (spécifiquement DMLS et SLM) utilise un laser pour fritter ou fondre sélectivement de la poudre métal. Tout comme le SLS, l'impression métal produit pièces couche par couche dans un environnement chauffé contrôlé sur machines industrielles. Cette construction couche par couche couplée aux très hautes températures crée des gradients thermiques extrêmes, et l'effet net est que des contraintes s'accumulent dans la pièce.

Résultat : les pièces métal imprimées sont à haut risque de distorsion ou gauchissement, rendant les bonnes pratiques de design et l'orientation critiques pour la précision. Contrairement au SLS, les supports sont vitaux pour minimiser la distorsion pendant la production. Les pièces sont généralement construites sur une plaque métal plein et doivent être retirées une fois l'impression terminée. Une solide compréhension du processus est requise avec supports solides et treillis pour maintenir la pièce solidement fixée au plateau et l'empêcher de se détacher. La plupart des pièces sont aussi détendues (traitement thermique) après construction et avant retrait du plateau (permettant à la structure cristalline de se relaxer, prévenant défaillances ultérieures).

Vu le coût élevé, des simulations valident souvent la précision d'un design avant de lancer l'impression.

Tolérance dimensionnelle	± 0,1 mm
Retrait/gauchissement	Pièces à haut risque de retrait/gauchissement. Renforts et supports utilisés pour réduire ce risque.
Exigences support	Essentiel pour pièce précise.

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Règles empiriques

• Pour la plus haute précision (et si budget n'est pas contrainte), Material Jetting est la solution optimale.
• Pour haute précision : SLA recommandé pour pièces < 1000 cm³ (10 × 10 × 10 cm), SLS pour pièces > 1000 cm³.
• Pour prototypage rapide, économique : FDM est la meilleure solution.