Maîtriser la précision, l'exactitude et la tolérance en impression 3D

Le fait qu'une imprimante 3D ait « haute résolution » parmi ses spécifications ne signifie pas que toutes les pièces imprimées en 3D seront exactes et précises. Comprendre la signification de l'exactitude, de la précision et de la tolérance est essentiel pour obtenir un bon résultat en impression 3D. Nous détaillons ci-dessous ce que signifie chacun de ces termes dans le contexte de l'impression 3D.

Exactitude (Accuracy)

On entend par exactitude à quel point une mesure est proche de sa valeur vraie. Si nous prenons l'exemple d'une cible, un tir sera plus exact plus il est proche du centre de la cible. En impression 3D, la valeur vraie sera les dimensions projetées dans le design CAO. Par conséquent, l'exactitude d'une pièce imprimée en 3D sera plus grande plus elle ressemble à son design numérique.

Précision (Precision)

La précision mesure la répétabilité d'une mesure. En suivant l'exemple de la cible, les tirs pourraient toujours toucher près du même point (ce qui serait précis), bien que ce point ne soit pas le centre de la cible. Dans le contexte de l'impression 3D, cela se traduit par la fiabilité à produire les résultats attendus à chaque impression. Dans le domaine de l'ingénierie, lorsqu'on compare différents matériaux d'impression 3D, le terme « précision » est utilisé pour faire référence à la capacité d'un matériau à imprimer des géométries très complexes.

Image 1 : Exemple de différences entre exactitude et précision. Source : Formlabs

Tolérance

La tolérance définit à quel point il faut être exact dans une impression 3D donnée. La tolérance est définie par l'utilisateur et dépendra de chaque application spécifique. Un composant d'assemblage mécanique, par exemple, nécessitera des tolérances plus strictes que l'impression 3D d'un boîtier en plastique.

Revenant à l'exemple de la cible, dans l'exemple de gauche les tirs sont très proches les uns des autres et on peut les définir comme précis, tandis que dans l'exemple de droite ils sont plus éloignés les uns des autres et on pourrait dire qu'ils ne sont pas précis. Maintenant, si on définit comme tolérance une plage de précision acceptable d'une distance de 3 anneaux, alors les tirs seraient dans les spécifications.

Image 2 : La tolérance est la plage acceptable de précision. Source : Formlabs

Exactitude et précision en impression 3D

Lors du choix d'une imprimante 3D, il est très important d'identifier les besoins spécifiques. Pour cela, il est clé de comprendre les concepts d'exactitude et de précision.

Une imprimante 3D inexacte et précise peut être la meilleure option pour certaines applications. Par exemple, une imprimante 3D FDM à bas coût produira des pièces moins exactes, mais pour un usage éducatif où les étudiants apprennent l'impression 3D, il peut ne pas être important que les dimensions de la pièce imprimée correspondent exactement à celles du design CAO. Cependant, il sera important d'avoir confiance que l'imprimante 3D fonctionnera de manière cohérente comme prévu, dans les tolérances dont l'utilisateur a besoin, pour obtenir une expérience réussie.

Au contraire, pour des applications industrielles, une imprimante 3D qui garantit l'exactitude et une bonne précision avec des tolérances très strictes sera sûrement nécessaire.

Il y a quatre facteurs majeurs qui déterminent l'exactitude et la précision d'une imprimante 3D :

1. Technologie d'impression 3D

L'impression 3D est un processus additif où les pièces sont construites par couches, et chaque couche présente un risque d'inexactitude. De plus, le processus par lequel les couches sont formées affecte le niveau de précision (répétabilité) des couches. En impression 3D FDM, les couches sont extrudées par une buse (nozzle) qui manque de la capacité d'atteindre des détails complexes, tandis qu'en impression 3D stéréolithographie (SLA), le matériau résine liquide est polymérisé avec un laser de haute précision pour former chaque couche, pouvant atteindre des détails beaucoup plus fins et plus fiables en termes de répétition de résultats de haute qualité.

Image 3 : Différence entre pièce imprimée en FDM (gauche) et SLA (droite). Source : Formlabs

Les spécifications de l'imprimante 3D seule ne représentent pas l'exactitude dimensionnelle finale. Une erreur courante est la description de la résolution XY comme exactitude dimensionnelle. Pour les imprimantes à traitement de lumière numérique (DLP), la résolution XY est la taille du pixel projeté. De nombreux systèmes d'imprimantes 3D utilisent cette taille de pixel projeté ou résolution XY comme chiffre global d'exactitude (par exemple, en prenant une taille de pixel projeté de 75 microns et en affirmant que l'exactitude de la machine est ± 75 microns). Cependant, ces données n'ont pas d'implications sur l'exactitude d'une pièce imprimée. Il y a de nombreuses sources d'erreur qui peuvent avoir un impact sur l'exactitude, des composants au calibrage, ainsi que les facteurs suivants que nous analyserons (matériaux et post-traitement). En résumé, la meilleure façon d'évaluer une imprimante 3D est d'inspecter des pièces réelles par rapport aux pièces théoriques.

2. Matériaux

Les propriétés du matériau utilisé pour l'impression 3D peuvent également affecter la probabilité de déformation d'une impression. Comme nous l'avons indiqué plus tôt, tout dépend des besoins de chaque application. En impression 3D dentaire, l'exactitude par rapport au design 3D sera essentielle, il existe donc des produits spécifiques pour ces applications qui garantissent un résultat très exact. Au contraire, pour l'impression 3D d'un prototype non fonctionnel, où l'objectif peut simplement être d'avoir une idée générale du produit physique, l'exactitude sera moins importante.

3. Post-traitement

Normalement, les pièces imprimées en 3D avec de la résine nécessitent un processus de post-polymérisation après l'impression, dans lequel la pièce peut se contracter. Cela doit être pris en compte dans le design, en considérant ladite contraction pour garantir que la pièce résultante après le processus de polymérisation est dimensionnellement exacte par rapport au design CAO original.

4. Écosystème

Réussir une impression 3D nécessite de prêter attention non seulement à l'impression 3D elle-même, mais à l'ensemble du processus dans son ensemble. Le design, le logiciel de tranchage, les matériaux, la température, les outils de post-traitement… tout influence le résultat final.