Renforcer la résistance des pièces imprimées en 3D : techniques éprouvées

L'impression 3D est capable de créer des pièces polymères et métalliques solides. Cependant, certaines applications de pièces imprimées en 3D peuvent exiger beaucoup plus de résistance. La conception et la sélection du matériau sont les facteurs les plus critiques qui déterminent la résistance d'une pièce imprimée en 3D. Cependant, même une pièce bien conçue pourrait montrer des faiblesses et échouer en service si d'autres techniques simples et importantes d'amélioration de la résistance sont ignorées.

Il existe diverses techniques pour renforcer les impressions 3D. Elles peuvent être regroupées en trois grandes catégories : géométrie de la pièce, paramètres d'impression et post-traitement.

Géométrie de la pièce

La géométrie de la pièce joue un rôle vital dans la détermination de la résistance d'une impression 3D. L'utilisation de congés et chanfreins augmente la résistance mécanique des arêtes, tandis que les nervures et entretoises fournissent un support structurel.

Utiliser des congés ou chanfreins

Les congés ou chanfreins fournissent une base solide pour les sections plus fines dans les pièces 3D. Ils empêchent les buses de heurter et détacher les parties délicates de l'impression.

Utiliser des nervures et entretoises

Les nervures et entretoises sont des extrusions minces qui dépassent perpendiculairement d'un mur ou plan. Elles fournissent un support et augmentent la résistance de la pièce. L'épaisseur des nervures devrait être la moitié de l'épaisseur du mur et espacées d'une distance minimale de deux fois l'épaisseur des murs. Les nervures grandes et hautes doivent être évitées ; à la place, plusieurs petites nervures doivent être utilisées.

Paramètres d'impression 3D

Des réglages optimaux du processus d'impression 3D sont nécessaires pour produire des pièces plus résistantes. Ces réglages incluent les suivants.

Remplissage (Infill) en impression 3D

Le remplissage fait simplement référence à la quantité de matériau à l'intérieur des parois externes de la pièce 3D. Cette technique est couramment utilisée en impression 3D FDM pour augmenter la résistance. Le réglage du remplissage se fait de deux façons : motif de remplissage et densité de remplissage.

Motif de remplissage

C'est une structure répétitive qui remplit l'espace à l'intérieur d'une pièce imprimée en 3D. Elle est généralement cachée de la vue. Il existe de nombreux styles de motifs de remplissage. Ils incluent : motif triangulaire, arche, rectangulaire, nid d'abeille ou hexagonal, et concentrique. Le motif de remplissage arche est le mieux adapté pour les pièces circulaires ou arrondies. Le motif de remplissage rectangulaire est capable de donner une pièce 100 % dense grâce à sa grille parallèle et perpendiculaire. Le motif de remplissage hexagonal fournit le meilleur rapport résistance/poids, mais prend le plus de temps à imprimer.

Densité de remplissage

Un remplissage à 0 % n'a pas de remplissage, et un remplissage à 100 % donne une pièce complètement solide. Le remplissage à 100 % fait la pièce la plus résistante. Cependant, dans de nombreux cas, c'est une utilisation inutile de matériau qui augmente le poids et le coût. Le motif nid d'abeille est le mieux pour des pourcentages inférieurs à 50 %, tandis que le motif rectiligne est le mieux pour des pourcentages supérieurs à 50 %. Les densités de remplissage courantes sont entre 20 % et 25 %.

Orientation de la pièce

Les pièces imprimées en 3D sont les plus résistantes dans les plans parallèles à l'enceinte de construction car la liaison moléculaire dans une couche est bien plus forte que les liaisons adhésives entre couches. Ce sont les plans X et Y. Bien que cette technique soit courante en impression 3D FDM, elle peut être utilisée dans d'autres procédés comme SLA et SLS pour améliorer la résistance. L'orientation de la pièce dépend de l'endroit où les charges et pressions seront subies dans la pièce.

Épaisseur de coque (Shell thickness)

Cela joue un rôle significatif dans le renforcement des pièces 3D. Une coque plus épaisse rend une pièce plus résistante. Pour l'impression FDM, une épaisseur de coque de 3 à 4 fois le diamètre de la buse est préférable pour les pièces soumises à des charges lourdes et soutenues. La plupart des processus d'impression 3D utilisent un minimum standard d'environ 1 mm d'épaisseur. Cependant, augmenter cela améliorera la résistance à la traction et aux chocs. Pour des informations détaillées sur l'épaisseur recommandée pour d'autres technologies d'impression 3D, veuillez consulter nos guides de conception.

Post-traitement de production

Pour augmenter davantage la résistance des pièces imprimées, vous pourriez aussi considérer le post-traitement. Les opérations de post-traitement suivantes peuvent grandement augmenter la résistance des pièces imprimées en 3D.

Recuit (Annealing)

Le recuit est simplement un processus de chauffage d'une pièce imprimée en 3D et de la laisser refroidir graduellement afin de soulager les contraintes internes, résultant en une pièce plus dure. Alors que les métaux et le verre peuvent être recuits, tous les polymères ne peuvent pas l'être. Certains matériaux adaptés au recuit sont le PLA, PET, et PA 12.

Électroplacage

L'électroplacage est une technique de post-impression qui implique d'immerger la pièce dans une solution d'eau et de sels métalliques. Quand le courant passe à travers la solution, les cations métalliques forment un mince revêtement autour de la pièce. Cette technique peut être appliquée à des pièces 3D de FDM, SLS, SLA, ou imprimantes SCM. Elle donne à la pièce une propriété mécanique quasi-identique à des pièces métalliques, et est donc une alternative bien moins chère à l'impression 3D métal pour plusieurs applications.

Cependant, les pièces électroplaquées sont encore en plastique à l'intérieur et donc si elles sont chauffées à une température plus haute que la température de ramollissement du plastique intérieur, la résistance intérieure est perdue ; même si l'extérieur métallique ne fond pas. Plusieurs métaux peuvent être utilisés pour l'électroplacage, comme le zinc, chrome, nickel, cuivre, etc. Avant l'électroplacage, il est important d'apprêter la pièce 3D pour établir une surface conductrice adaptée pour que le métal adhère. Le graphite est couramment utilisé pour l'apprêt.

Revêtement résine

Les résines époxy ou polyester peuvent être utilisées pour revêtir les pièces imprimées en 3D. Le revêtement époxy est un revêtement de surface insoluble fait avec de la peinture époxy. La peinture contient deux produits chimiques : une résine époxy et un durcisseur. Le revêtement résultant est généralement plus durable et plus dur que les pièces non revêtues. Cependant, le revêtement époxy n'est pas approprié si une précision géométrique extrême et des arêtes vives sont nécessaires pour la pièce. Les résines polyester, d'autre part, sont minces et peuvent être étalées sur des pièces complexes. La résine commence à durcir 5 minutes après l'application et prend généralement 24 heures pour sécher complètement. Le revêtement résine peut être appliqué à toute pièce de n'importe quelle imprimante.

Renforcement fibre de carbone

Les fibres de carbone ou de verre peuvent aussi être utilisées pour renforcer les pièces 3D. La fibre de carbone a un excellent rapport résistance/poids et est mieux utilisée pour des pièces dans des conditions de charge constante. Contrairement au carbone, les fibres de verre se plient jusqu'à la rupture. Les fibres peuvent être laminées de deux façons :

• Renforcement fibres courtes

Dans cette méthode, les fibres sont hachées et mélangées avec le thermoplastique pour améliorer la résistance et la rigidité

• Renforcement fibres continues

Dans cette technique, la fibre doit être continuellement intégrée dans le thermoplastique pendant qu'il est extrudé et déposé. Cette technique nécessite deux buses pour imprimer en même temps.

Conclusion

Chez Xometry Europe, nous offrons diverses options de renforcement pour pièces imprimées en 3D selon les demandes des clients. Rendez-vous simplement sur notre plateforme de devis instantané, téléchargez vos modèles, choisissez vos options, et voilà : votre pièce 3D haute résistance vous sera livrée en quelques jours.