Impact des paramètres d'impression FFF sur la résistance mécanique des pièces imprimées en 3D

Cette étude vise à étudier l'influence des paramètres d'impression 3D, notamment en utilisant la technique de fabrication de filaments fondus (FFF), sur les caractéristiques mécaniques des pièces produites. L'analyse a consisté à examiner 495 échantillons imprimés, avec des variations de paramètres clés tels que la température d'extrusion, la vitesse d'impression, la densité, la géométrie de remplissage, la hauteur de couche et le nombre de parois.

L'imprimante BCN3D Epsilon W50 a été utilisée, utilisant des matériaux couramment utilisés dans cette technologie :PLA, PETG et ABS. L'évaluation de la résistance mécanique a été réalisée au moyen d'essais de traction uniaxiale, en considérant les divers paramètres. Cette étude a été réalisée en testant un total de 495 échantillons conformément à la norme UNE-EN ISO 527-2 Type 1A, en adhérant au modèle de test de moulage ou d'extrusion de plastique.

On s’attend à ce qu’une augmentation de la température d’extrusion, de la densité et du nombre de parois se traduise par des pièces imprimées présentant des propriétés améliorées. En conséquence, une vitesse d'impression plus élevée et une hauteur de couche réduite peuvent potentiellement entraîner une diminution de la résistance mécanique, bien que l'étendue précise de leur impact reste incertaine.

Principales hypothèses

• Type de remplissage  : Le remplissage en grille est supposé offrir une résistance supérieure par rapport aux remplissages gyroïdaux et triangulaires en raison de sa structure de grille interconnectée.
• Densité de remplissage : Une densité de remplissage plus élevée devrait contribuer à augmenter la résistance mécanique, car une plus grande quantité de matériau dans la pièce devrait améliorer sa capacité à résister aux contraintes.
• Hauteur de la couche : On suppose qu'une hauteur de couche inférieure affecte négativement la résistance mécanique en raison de faiblesses d'adhérence entre les couches.
• Vitesse d'impression : Une vitesse d'impression élevée devrait entraîner une diminution de la qualité des pièces en raison de l'instabilité de l'extrusion et d'une liaison moins efficace entre les couches, ce qui pourrait affaiblir la résistance mécanique.
• Température d'impression : Une plage de températures plus élevée devrait améliorer la liaison entre les couches, améliorant ainsi la résistance mécanique des pièces. À l'inverse, des températures plus basses peuvent entraîner une extrusion à froid avec perte de matière.
• Nombre de murs : Un nombre plus élevé de parois est suggéré pour augmenter considérablement la résistance mécanique des pièces imprimées, offrant ainsi une plus grande stabilité structurelle.

[Télécharger le livre blanc – Etude de l'impact des paramètres d'impression 3D sur les propriétés mécaniques des échantillons FFF.]

Résultats

Dans la section suivante, les graphiques présentent divers résultats et conclusions. Pour une analyse et des données détaillées, veuillez consulter le livre blanc.

Effet sur le type de remplissage

En analysant les données obtenues et en voyant que, selon le matériau, chaque type de remplissage affecte différemment, nous pouvons conclure que le motif 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 gyroïde donnent les charges les plus élevées, la différence et la variabilité par rapport au PLA nous empêchent d'affirmer que ce type de remplissage est le meilleur en termes d'amélioration des propriétés mécaniques. Par conséquent, la prémisse à partir de laquelle ce test est parti, espérant une meilleure performance du remplissage en grille, suivi du triangulaire et enfin du gyroïde, est incorrecte.

Effet de la densité de remplissage

En analysant les résultats obtenus, nous pouvons conclure que la prémisse établie avant le test était correcte. Autrement dit, les propriétés mécaniques des pièces augmentent proportionnellement à l'augmentation de la densité. Cette affirmation est beaucoup plus claire en PLA et PETG, tandis qu'en ABS, elle est beaucoup moins perceptible, au point de ne pas augmenter la résistance à la traction entre les éprouvettes à 60 % de remplissage et celles à 80 %. Cela peut être dû au type de structure polymère que forme chacun des matériaux, le PLA et le PETG étant des matériaux à structure cristalline, tandis que cette formulation ABS a une structure plus amorphe. De plus, nous pouvons également conclure qu'augmenter la densité des pièces ABS imprimées de plus de 60 % ne garantit pas de meilleures performances mécaniques.

Effet de la hauteur de couche

Comme prévu, l’augmentation de la hauteur des couches offre de meilleures performances pour les pièces imprimées. En effet, comme mentionné précédemment, il y a moins de « faiblesses » tout au long de la pièce. Ces faiblesses sont les joints de chacune des couches imprimées, car l'adhésion entre les couches n'aura jamais la même résistance mécanique que le matériau lui-même.

Effet de la vitesse d'impression

Après l'analyse des données, nous concluons que, tout comme une vitesse d'impression plus élevée augmente l'instabilité de l'extrusion du matériau et, par conséquent, augmente la possibilité d'imperfections dans la pièce imprimée, conduisant à une moindre résistance mécanique, il existe également une limite inférieure à cette vitesse d'impression. Autrement dit, il n’est pas vrai qu’une vitesse d’impression plus faible entraîne une résistance mécanique plus élevée. Chaque matériau a une plage de températures de travail optimale pour l’impression. Si la température de travail est inférieure à cette plage, le matériau sera extrudé à froid, tandis que si la température d'impression est supérieure à cette plage, le matériau peut se dégrader, cristalliser sa structure polymère et provoquer une extrusion incorrecte.

Pour une meilleure compréhension de 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 la vitesse à laquelle le filament traverse le bloc chauffant. Cela implique que la température du bloc thermique (température d'impression) doit être supérieure à la température de fusion du matériau, car elle doit compenser le déficit de transmission thermique au filament. En d’autres termes, nous concluons que la température d’impression à laquelle les matériaux sont généralement extrudés en FFF est bien supérieure à la température de fusion du matériau. Par conséquent, si la vitesse d'impression est très faible, le matériau peut se dégrader lors de l'extrusion et, par conséquent, perdre ses propriétés, y compris ses propriétés mécaniques.

Température d'impression 

En tenant compte des données obtenues et après avoir analysé au préalable la vitesse d'impression et l'influence de divers paramètres tels que la densité ou la hauteur de couche, nous en déduisons que la température d'impression ne contribue pas de manière significative à améliorer les propriétés mécaniques ou, plutôt, qu'il est difficile d'établir une constante pour contrôler le résultat final de la fabrication. Autrement dit, comme pour la vitesse d'impression, la température d'impression affecte chaque matériau dans une mesure différente et pas toujours de manière facilement prévisible.

Dans le cas du PLA, il est vrai que la tendance est celle attendue, mais ce n’est pas le cas avec l’ABS et le PETG. Il est très probable que la structure polymère des différents matériaux et la température de transition vitreuse de chaque matériau définissent cette ligne de tendance.

Nombre de murs

Dans cet essai, nous avons pu observer avec quelle nette augmentation du nombre de parois augmente la résistance à la traction des éprouvettes dans chacun des matériaux, tout comme dans les essais 2.2 (densité de remplissage) et 2.3 (hauteur de couche). Dans le cas du PETG, l’évolution a été beaucoup plus nette dans chacun des incréments, mais cela peut être dû aux écarts par rapport à chacun des autres tests. Il est logique, et comme prévu, que chaque augmentation du nombre de murs augmente la résistance à la traction de la même manière. Autrement dit, chaque augmentation des murs entraîne une augmentation constante de la force maximale de la même valeur. Cela peut être clairement observé lors du test des éprouvettes PETG, où chaque fois qu'une paroi est ajoutée aux éprouvettes, la force maximale augmente de 30 %. Nous prenons comme exemple le PETG car nous déduisons, après avoir vu l'écart des tests, que c'est celui qui a le moins subi l'influence d'agents externes.

Pour lire toutes les informations en détail, n'hésitez pas à télécharger notre livre blanc spécialisé présentant l'impact des paramètres d'impression 3D sur les propriétés mécaniques des échantillons FFF.

[Télécharger le livre blanc – Etude de l'impact des paramètres d'impression 3D sur les propriétés mécaniques des échantillons FFF.]