Précision dimensionnelle des pièces imprimées en 3D

Introduction

Le but de cet article est de fournir aux ingénieurs et aux concepteurs une méthode pour comparer la précision dimensionnelle attendue qui peut être obtenue à partir des technologies d'impression 3D. Bien que toutes les technologies aient des forces et des faiblesses, les 2 facteurs déterminants pour déterminer si une pièce sera imprimée conformément aux spécifications sont :

Conception - La précision de l'impression d'une pièce dépend fortement de la conception. Les variations de refroidissement et de durcissement entraînent des contraintes internes qui peuvent entraîner un gauchissement ou un rétrécissement. L'impression 3D n'est pas adaptée aux surfaces planes ou aux éléments longs et fins non pris en charge. La précision diminuera également à mesure que la taille des pièces augmentera. Des recommandations de conception spécifiques pour chacune des technologies abordées dans cet article sont disponibles au chapitre 5 de la base de connaissances.

Matériaux - Comme la conception, la précision dépend également du matériau. Souvent, la précision d'une pièce est sacrifiée pour l'amélioration d'une propriété spécifique du matériau. Par exemple, une résine SLA standard produira des pièces plus précises sur le plan dimensionnel qu'une résine flexible. Pour les pièces où une grande précision est essentielle, des matériaux d'impression standard sont recommandés.

Variables de précision

Afin d'aider à quantifier la précision d'une pièce imprimée en 3D, les paramètres suivants seront utilisés.

• Précision dimensionnelle - valeurs quantitatives des fabricants de machines et des fournisseurs de matériaux indiquant la précision attendue des pièces. Toutes les tolérances indiquées concernent des pièces bien conçues sur des machines bien calibrées.
  
• Déformation ou rétrécissement - la probabilité qu'une pièce se déforme ou rétrécisse pendant l'étape d'impression. Cela dépend fortement de la conception, mais certains processus produisent des pièces qui sont intrinsèquement plus à risque de se déformer ou de rétrécir.
  
• Exigences d'assistance - pour de nombreuses technologies d'impression 3D, la quantité de support utilisée déterminera la précision avec laquelle une surface ou un élément est imprimé. L'inconvénient est que le support affecte la finition de surface d'une pièce car il doit être retiré.
  
  

Pour plus d'informations sur la taille minimale des fonctionnalités et les détails que chaque technologie d'impression 3D est capable d'obtenir, reportez-vous ici. L'impact de la hauteur de la couche sur une pièce imprimée en 3D est abordé dans cet article.

FDM

La modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) est la mieux adaptée au prototypage à faible coût, où la forme et l'ajustement sont plus importants que la fonction. FDM produit des pièces une couche à la fois en extrudant un thermoplastique sur une plaque de fabrication.

Pour les grandes pièces, cela peut entraîner de grandes variations de température sur la plate-forme de fabrication. Comme différentes zones de la pièce refroidissent à des vitesses différentes, les contraintes internes provoquent la déformation de l'impression, entraînant un gauchissement ou un rétrécissement. Des solutions telles que l'impression de radeaux, de lits chauffants et de rayons aux arêtes vives et aux angles peuvent aider à réduire ce problème.

Différents matériaux sont plus susceptibles de se déformer que d'autres. Par exemple, l'ABS est connu pour être plus susceptible de se déformer que le PLA.

Tolérance dimensionnelle	± 0,5 % (limite inférieure :± 0,5 mm) - bureau± 0,15 % (limite inférieure :± 0,2 mm) - industriel
Rétrécissement/gauchissement	Les thermoplastiques qui nécessitent une température d'impression plus élevée sont plus à risque. Il est recommandé d'ajouter un rayon sur le bord inférieur en contact avec la plaque de construction ou un bord. Le rétrécissement se produit généralement dans la plage de 0,2 à 1 % selon le matériau.
Exigences d'assistance	Indispensable pour obtenir une pièce précise. Requis pour les porte-à-faux supérieurs à 45 o degrés.

Curieux de connaître les options de coût et de matériaux pour FDM ?

Obtenez un devis instantanéVoir tous les matériaux FDM

SLA

Les imprimantes SLA (stéréolithographie) utilisent un laser pour durcir aux UV des zones spécifiques d'un réservoir de résine afin de former une pièce solide, une section transversale à la fois. Ces zones durcies, cependant, ne sont pas pleinement résistantes avant le post-traitement aux UV. À cause de cela et de l'angle et des orientations auxquels les pièces SLA sont généralement imprimées, un affaissement des portées non prises en charge peut se produire.

Au fur et à mesure qu'une couche est construite à la fois, cet effet devient cumulatif, ce qui entraîne des écarts dimensionnels parfois observés dans les pièces SLA hautes. Des écarts dimensionnels peuvent également se produire en raison du processus de pelage utilisé par certaines imprimantes SLA. La force de traction pendant le processus de pelage peut faire plier l'impression douce qui peut encore s'accumuler au fur et à mesure que chaque couche est construite.

Les résines qui ont des propriétés de flexion plus élevées (moins rigides) présentent un plus grand risque de déformation et peuvent ne pas convenir aux applications de haute précision.

Tolérance dimensionnelle	± 0,5 % (limite inférieure :± 0,10 mm) - bureau± 0,15 % (limite inférieure :± 0,01 mm) - industriel
Rétrécissement/gauchissement	Probablement pour les délais non pris en charge.
Exigences d'assistance	Indispensable pour obtenir une pièce précise.

Curieux de connaître le coût et les options de matériaux disponibles pour l'impression 3D SLA ?

Obtenez un devis instantanéVoir tous les matériaux SLA

SLS

Le frittage laser sélectif (SLS) produit des pièces avec une grande précision et peut imprimer des conceptions avec une géométrie complexe. Un laser fritte sélectivement une couche de poudre à la fois pour former une pièce solide.

Pour limiter le risque de déformation ou de rétrécissement des pièces pendant l'impression, les imprimantes SLS utilisent des chambres de construction chauffées qui chauffent la poudre juste en dessous de la température de frittage. Cependant, cela entraîne toujours des gradients de température dans les grandes pièces SLS où le bas de la pièce s'est refroidi tandis que les couches supérieures récemment imprimées restent à une température élevée. Pour atténuer davantage le risque de déformation, les pièces sont laissées dans la poudre pour refroidir lentement (souvent pendant 50 % du temps de construction total).

Tolérance dimensionnelle	± 0,3 % (limite inférieure :± 0,3 mm)
Rétrécissement/gauchissement	Le rétrécissement se produit généralement dans la plage de 2 à 3 %, mais la plupart des fournisseurs d'impression SLS le permettent dans la conception.
Exigences d'assistance	Non requis.

Curieux de connaître le coût et les options de matériaux disponibles pour l'impression 3D SLS ?

Obtenez un devis instantanéVoir tous les matériaux SLS

Jet de matière

Le jet de matière est considéré comme la forme d'impression 3D la plus précise. Parce qu'il n'y a pas de chaleur impliquée dans le processus d'impression, le gauchissement et le rétrécissement se produisent rarement.

La plupart des problèmes de précision dimensionnelle liés aux caractéristiques et aux parois minces qui sont imprimées en dessous des spécifications de l'imprimante. Les impressions par jet de matériau prennent en charge une structure solide à partir d'un matériau secondaire souple qui est retiré après l'impression. La nature solide du support se traduit par des surfaces en contact avec le support imprimées avec un haut niveau de précision. Des précautions doivent être prises lors de la manipulation de pièces produites par projection de matériau, car elles peuvent se déformer et changer de dimension en raison de l'exposition à la chaleur ambiante, à l'humidité ou à la lumière du soleil.

Tolérance dimensionnelle	± 0,1 % (limite inférieure :± 0,05 mm)
Rétrécissement/gauchissement	Pas de problème pour le jet de matière.
Exigences d'assistance	Indispensable pour obtenir une pièce précise.

Impression 3D métal

L'impression métallique (en particulier DMLS et SLM) utilise un laser pour fritter ou fondre sélectivement de la poudre métallique pour produire des pièces métalliques. Tout comme SLS, l'impression sur métal produit des pièces une couche à la fois dans un environnement contrôlé et chauffé sur des machines de taille industrielle. Cette construction couche par couche associée aux températures très élevées impliquées dans le processus crée des gradients thermiques extrêmes, et l'effet net est que les contraintes sont intégrées dans la pièce.

Par conséquent, les pièces imprimées en métal présentent un risque élevé de déformation ou de déformation, ce qui signifie que de bonnes pratiques de conception et l'orientation des pièces sont essentielles pour obtenir une pièce précise. Contrairement au SLS, les structures de support sont essentielles pour minimiser la déformation de la pièce pendant la production. Les pièces sont également généralement construites sur une plaque métallique solide et doivent être retirées une fois le processus d'impression terminé. Une bonne compréhension du processus est nécessaire ainsi que des structures de support solides et en treillis pour maintenir la pièce solidement fixée au lit d'impression et l'empêcher de se détacher. La plupart des pièces sont également soulagées des contraintes (via un processus de traitement thermique) après leur construction et avant leur retrait de la plaque de construction (cela permet à la structure cristalline de se détendre, évitant ainsi une défaillance ultérieure).

Étant donné que le coût des pièces métalliques imprimées en 3D est élevé, des simulations sont souvent utilisées pour valider la précision d'une conception, avant de commencer le travail d'impression.

Tolérance dimensionnelle	± 0,1 mm
Rétrécissement/gauchissement	Pièces présentant un risque élevé de rétrécissement ou de déformation. Le contreventement et le support sont utilisés pour aider à réduire la probabilité que cela se produise.
Exigences d'assistance	Indispensable pour obtenir une pièce précise.

Curieux de connaître le coût et les options de matériaux disponibles pour l'impression 3D métal ?

Obtenez un devis instantanéVoir tous les matériaux d'impression 3D métal

Règles générales

• Pour une précision maximale (et lorsque le budget n'est pas une contrainte), Material Jetting est la solution optimale.
  
• Pour une grande précision, le SLA est recommandé pour les pièces inférieures à 1 000 cm ³ (10 x 10 x 10 cm) et SLS pour les pièces de dimensions supérieures à 1 000 cm ³ (10 x 10 x 10 cm).
  
• Le FDM de prototypage rapide et économique est la meilleure solution.