Impact des Paramètres d'Impression FFF sur la Résistance Mécanique des Pièces Imprimées en 3D

Cette étude vise à investiguer l'influence des paramètres d'impression 3D, spécifiquement avec la technique Fused Filament Fabrication (FFF), sur les caractéristiques mécaniques des pièces produites. L'analyse a impliqué l'examen de 495 échantillons imprimés, avec variations sur des paramètres clés : température d'extrusion, vitesse d'impression, densité, géométrie de remplissage, hauteur de couche et nombre de parois.

L'imprimante BCN3D Epsilon W50 a été employée, utilisant des matériaux couramment utilisés dans cette technologie : PLA, PETG et ABS. L'évaluation de la résistance mécanique a été réalisée par tests de traction uniaxiaux, considérant les divers paramètres. Cette étude a été menée en testant un total de 495 éprouvettes suivant la norme UNE-EN ISO 527-2 Type 1A, adhérant au modèle d'essai pour moulage ou extrusion plastique.

L'attente est qu'une augmentation de la température d'extrusion, de la densité et du nombre de parois résultera en des pièces imprimées présentant des propriétés améliorées. En conséquence, une vitesse d'impression plus élevée et une hauteur de couche réduite pourraient potentiellement mener à une diminution de la résistance mécanique, bien que l'étendue précise de leur impact reste incertaine.

Hypothèses Principales

• Type de Remplissage : Le remplissage Grid (grille) est supposé offrir une résistance supérieure comparé aux remplissages Gyroid et Triangulaire en raison de sa structure de grille interconnectée.
• Densité de Remplissage : Une densité plus élevée devrait contribuer à une résistance mécanique accrue, plus de matière dans la pièce améliorant sa capacité à résister aux contraintes.
• Hauteur de Couche : Une hauteur de couche plus basse est présumée affecter négativement la résistance mécanique en raison de faiblesses d'adhérence entre couches.
• Vitesse d'Impression : Une vitesse élevée devrait résulter en qualité de pièce diminuée due à l'instabilité d'extrusion et une liaison moins efficace entre couches, potentiellement affaiblissant la résistance mécanique.
• Température d'Impression : Une plage de température plus haute devrait améliorer la liaison entre couches, améliorant ainsi la résistance mécanique. Inversement, des températures plus basses pourraient entraîner une extrusion à froid avec perte de matière.
• Nombre de Parois : Un nombre plus élevé de parois devrait augmenter significativement la résistance mécanique, fournissant une plus grande stabilité structurelle.

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Résultats

Dans la section suivante, les graphiques affichent divers résultats et conclusions. Pour analyse détaillée et données, consultez le livre blanc.

Effet du Type de Remplissage

En analysant les données obtenues et voyant que, selon le matériau, chaque type de remplissage affecte différemment, nous concluons que le pattern n'a pas d'effet significatif ou pertinent sur les propriétés finales des pièces. S'il est vrai que les éprouvettes ABS et PETG avec remplissage gyroid donnent les charges les plus élevées, la différence et la variabilité comparées au PLA nous empêchent d'affirmer que ce type de remplissage est le meilleur pour améliorer les propriétés mécaniques. Donc, la prémisse de départ, s'attendant à une meilleure performance du remplissage grid suivi du triangulaire et enfin du gyroid, est incorrecte.

Effet de la Densité de Remplissage

En analysant les résultats, nous concluons que la prémisse établie avant le test était correcte. Les propriétés mécaniques des pièces augmentent en relation avec l'augmentation de la densité. Cette affirmation est plus claire pour PLA et PETG, tandis que pour l'ABS, elle est beaucoup moins noticeable, au point de ne pas augmenter la résistance à la traction entre éprouvettes 60 % et 80 % de remplissage. Cela peut être dû au type de structure polymérique que chaque matériau forme, PLA et PETG étant des matériaux à structure cristalline, tandis que cette formulation ABS a une structure plus amorphe. De plus, nous concluons qu'augmenter la densité des pièces ABS imprimées au-delà de 60 % n'assure pas une performance mécanique supérieure.

Effet de la Hauteur de Couche

Comme prévu, l'augmentation de la hauteur de couche fournit de meilleures performances pour les pièces imprimées. C'est parce que, comme mentionné plus tôt, il y a moins de « faiblesses » à travers la pièce. Ces faiblesses sont les joints de chacune des couches imprimées, car l'adhérence entre couches n'aura jamais la même résistance mécanique que le matériau lui-même.

Effet de la Vitesse d'Impression

Après analyse des données, nous concluons que tout comme une vitesse d'impression plus élevée augmente l'instabilité d'extrusion du matériau et donc augmente la possibilité d'imperfections dans la pièce imprimée, menant à une moins bonne résistance mécanique, il existe aussi une limite inférieure à cette vitesse. C'est-à-dire, il n'est pas vrai qu'une vitesse plus basse résulte en une résistance mécanique plus élevée. Chaque matériau a une plage de température de travail optimale pour l'impression. Si la température de travail est en dessous de cette plage, le matériau sera extrudé à froid, tandis que si la température est au-dessus, le matériau peut se dégrader, cristallisant sa structure polymérique et causant une extrusion incorrecte.

Pour mieux comprendre la conclusion suivante, une brève explication de la température d'impression (température de travail) des matériaux est nécessaire. Comme expliqué précédemment, la vitesse d'impression affecte l'extrusion du filament car cette vitesse est le taux auquel le filament passe par le bloc chauffant. Cela implique que la température du bloc chauffant (température d'impression) doit être plus élevée que le point de fusion du matériau, car elle doit compenser le déficit de transmission de chaleur au filament. En d'autres termes, et avec cela, nous concluons que la température d'impression à laquelle les matériaux sont typiquement extrudés en FFF est bien plus élevée que la température de fusion du matériau. Par conséquent, si la vitesse d'impression est très basse, le matériau peut se dégrader pendant l'extrusion et donc perdre des propriétés du matériau lui-même, y compris les propriétés mécaniques.

Température d'Impression

En tenant compte des données obtenues et ayant préalablement analysé la vitesse d'impression et comment divers paramètres comme la densité ou la hauteur de couche affectent, nous déduisons que la température d'impression n'aide pas significativement à améliorer les propriétés mécaniques, ou plutôt, il est difficile d'établir une constante pour contrôler le résultat final de la fabrication. C'est-à-dire, comme pour la vitesse d'impression, la température d'impression affecte chaque matériau à un degré différent et pas toujours de manière facilement prévisible.

Dans le cas du PLA, la tendance est comme prévu, mais avec l'ABS et le PETG, ce n'est pas le cas. Il est plus probable que la structure polymérique des différents matériaux et la température de transition vitreuse de chaque matériau définissent cette ligne de tendance.

Nombre de Parois

Dans ce test, nous avons pu observer clairement comment chaque augmentation du nombre de parois augmente la résistance à la traction des éprouvettes dans chacun des matériaux, tout comme dans les tests 2.2 (densité de remplissage) et 2.3 (hauteur de couche). Dans le cas du PETG, l'évolution a été beaucoup plus claire à chaque incrément, mais cela peut être dû aux écarts de chacun des autres tests. Il est logique et attendu que chaque augmentation de parois augmente la résistance à la traction de la même manière. C'est-à-dire, chaque augmentation de parois fait augmenter la force maximale de la même valeur de façon constante. Cela s'observe clairement dans le test des éprouvettes PETG, où chaque fois qu'une paroi est ajoutée, la force maximale augmente de 30 %. Nous prenons le PETG comme exemple car nous déduisons, après avoir vu l'écart des tests, qu'il a été celui qui a subi le moins d'influence d'agents externes.

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