Maîtriser la finition de surface en impression 3D : techniques essentielles pour une qualité de pièce supérieure

Commençons par une introduction au concept de finition de surface en impression 3D. Simplement dit, c'est une mesure qualitative de la rugosité de la surface d'une pièce après impression. Une surface très lisse est considérée « fine » tandis qu'une surface rugueuse a une finition de surface « pauvre ».

C'est une étape cruciale dans tout processus de fabrication car il y a des exigences strictes de qualité de surface pour presque tous les produits. Une feuille de papier, par exemple, ne remplit pas son rôle si elle est trop rêche pour écrire dessus et ne se vendra pas bien.

Aussi, atteindre la finition de surface désirée est une priorité absolue pour les fabricants en impression 3D. Souvent, c'est un travail de post-traitement impliquant de nombreuses techniques, qui seront discutées bientôt.

De plus, la finition de pièces imprimées en 3D présente un défi unique dû aux qualités inhérentes des processus de fabrication additive. Comme les pièces sont construites couche par couche, leur surface est composée d'un motif répétitif de crêtes et de vallées qui doivent être aplaties tout en respectant l'intégrité de la pièce.

Il y a plusieurs raisons de fixer des cibles spécifiques pour la finition de surface en impression 3D. Ces raisons peuvent être à la fois superficielles et fonctionnelles. Voici une liste résumée de diverses raisons.

1. Esthétique

Une bonne finition de surface ajoute à la valeur esthétique de la pièce. Cela inclut des éléments d'apparence comme la couleur, la texture et le rugueux (brillant/mat).

2. Propriétés mécaniques et chimiques

Les méthodes de finition de surface peuvent améliorer la performance des pièces imprimées en 3D. Les pièces métalliques, par exemple, peuvent être revêtues pour les rendre résistantes à la corrosion et conductrices électriquement. Certaines méthodes induisent une résistance aux hautes températures et à l'usure pour des pièces destinées à des applications difficiles et exigeantes.

3. Fonctionnalité

Certaines applications requièrent une finition de surface spécifique pour fonctionner correctement. Un ajustement par interférence, par exemple, dépend fortement de la qualité de surface des pièces en contact. Ainsi, dans d'autres cas, une surface rugueuse pourrait être préférée pour améliorer la surface pour un transfert de chaleur efficace.

4. Tolérance de fabrication

Les traitements de surface sont souvent utilisés en finition d'impression 3D pour amener une pièce dans ses limites de tolérance dimensionnelle. Donc, du matériel extra peut être enlevé ou ajouté pour ce but.

L'impression 3D est un processus complexe avec de nombreux facteurs contributifs et pièces mobiles. Chacun de ces facteurs affecte la finition de surface en impression 3D différemment. Un ingénieur doit avoir une bonne compréhension de cela pour savoir quoi ajuster pour obtenir la finition d'impression 3D désirée.

1. Processus d'impression 3D

La finition de surface en impression 3D varie drastiquement entre différentes techniques d'impression 3D. Le FDM, par exemple, est sujet à des problèmes comme la faible résolution de surface et le gauchissement dû à son processus de dépôt couche par couche. Les méthodes à base de poudre comme le SLS produisent compréhensiblement une finition de surface granuleuse car les pièces sont faites de particules de poudre.

2. Paramètres de l'imprimante 3D

Les paramètres d'impression 3D jouent un rôle significatif dans la finition de surface finale. Par exemple, plus l'épaisseur de couche (ou résolution) est faible, plus la surface semble lisse. La vitesse d'impression, le processus de polymérisation et le remplissage sont aussi des facteurs contributifs importants à la qualité de surface.

3. Matériau d'impression 3D

Les matériaux d'impression 3D ont différentes propriétés et sont compatibles avec différentes méthodes. Les variations de finition de surface peuvent aussi être dues aux limitations et propriétés des matériaux.

4. Qualité de l'imprimante 3D

La construction et l'état des imprimantes 3D affectent aussi la finition de surface. Les imprimantes bon marché ne peuvent pas produire des pièces avec une haute qualité de surface. De même, une vieille imprimante 3D mal entretenue perd sa précision avec le temps. Les facteurs contributifs incluent l'état des rails et moteurs de l'imprimante 3D, l'alignement du cadre/base, les capacités du contrôleur, l'état de la source d'alimentation, etc.

Le tableau ci-dessous compare les capacités de finition de surface en impression 3D des processus d'impression 3D populaires.

Processus d'impression 3D	Rugosité de surface (Ra)
FDM/FFF	10
SLD/DLP	3
SLS	13
PBF	15

Nous avons examiné en profondeur divers aspects de la finition de surface en impression 3D. Maintenant, nous passerons aux nombreuses méthodes que les ingénieurs utilisent pour la finition de pièces d'impression 3D.

Ces techniques varient significativement en termes d'efficacité, coûts, exigences de compétence et méthodologie globale. Nous discutons ci-dessous de quelques-unes des options les plus importantes.

1. Ponçage

Le ponçage est la méthode la plus courante pour la finition d'impression 3D. C'est un processus simple où du papier de verre abrasif est frotté contre la surface de la pièce pour la lisser. Les caractéristiques imparfaites sur la surface, comme les protubérances et coins pointus, se brisent ou s'aplatissent par frottement pendant ce processus.

C'est une technique très pratique car elle est intuitive, bon marché, efficace, et fonctionne sur la plupart des matériaux. Le papier de verre vient en divers grades qui diffèrent par la taille du grain. Les grades grossiers ont des grains plus gros et enlèvent plus de matière mais laissent une surface plus rugueuse en même temps.

Généralement, le processus de ponçage commence par l'utilisation de grades grossiers et passe progressivement à des grades plus fins au fur et à mesure que la surface devient plus lisse.

Cependant, il faut être prudent avec le ponçage, car il est assez facile d'enlever trop de matière et de ruiner la pièce. C'est donc aussi un processus chronophage et peut ne pas convenir à un travail de haute productivité.

La finition de surface finale n'est pas brillamment lisse. Elle a plutôt une finition mate. Pour améliorer davantage la qualité de surface, on peut utiliser des chiffons de polissage, des papiers de verre extra-fins, ou la peinture/revêtement.

2. Usinage/Meulage

Bien que l'impression 3D et l'usinage CNC soient souvent présentés comme des technologies de fabrication opposées, mises en concurrence pour la domination de l'industrie, il y a plusieurs domaines où elles se complètent. L'une de ces applications hybrides est la finition de pièces d'impression 3D.

De nombreuses méthodes d'impression 3D sont incapables d'atteindre la fine finition de surface des processus soustractifs comme l'usinage et le meulage.

Ainsi, un cycle de finition par usinage/meulage est très courant après l'impression 3D. C'est très efficace pour maintenir des tolérances serrées et des surfaces exceptionnellement lisses. De plus, l'usinage est un outil polyvalent utile dans les zones difficiles d'accès comme l'intérieur de trous ou caractéristiques courbes.

Qui plus est, il est compatible avec la plupart des matériaux d'impression 3D, tant à base de plastique que de métal.

3. Microbillage

Le microbillage est une autre technique de finition abrasive populaire pour l'impression 3D. Comme son nom l'indique, il implique de projeter de petites billes de plastique ou de verre sur la surface rugueuse. L'impact aplatit les imperfections de surface.

C'est une méthode rapide comparée au ponçage. De plus, les billes peuvent aussi être dirigées dans des caractéristiques difficiles d'accès et lisser les surfaces internes, moins accessibles avec du papier de verre à main.

Généralement, le microbillage commence à basse pression pour juger le taux d'abrasion. C'est nécessaire car une pression excessive peut enlever trop de matière ou endommager la surface. Avec une inspection visuelle appropriée et de l'expérience, l'opérateur peut alors augmenter la pression de microbillage pour optimiser la finition de surface d'impression 3D.

En plus, il y a divers autres processus similaires comme le sablage, le grenaillage et l'hydrogommage avec des différences mineures entre chacun.

4. Placage

Le placage (électroplacage) est le processus d'application électrique d'une fine couche métallique sur une surface plastique ou métallique. C'est une pratique courante pour la finition de pièces d'impression 3D en raison de ses avantages étendus et de sa commodité.

Dans la plupart des cas, le placage améliore diverses propriétés matérielles de la pièce. Les pièces plastiques imprimées en 3D sont compréhensiblement faibles et sujettes à la casse. Les placager avec un métal approprié peut booster leur durabilité, résistance à l'usure, et leur donner la capacité de supporter des températures plus élevées.

En plus, pour les pièces métalliques, l'électroplacage peut induire diverses propriétés utiles comme la résistance à la corrosion et à l'oxydation, la soudabilité, et la conductivité électrique.

Outre de tels buts fonctionnels, le placage sert aussi comme un excellent moyen d'améliorer l'esthétique d'une finition de surface d'impression 3D. Les revêtements métalliques comme l'or, l'argent et le chrome ajoutent un attrait esthétique supérieur aux pièces.

5. Peinture

La peinture est un processus simple et bien compris. Elle sert le même but qu'ailleurs : une meilleure apparence. C'est parce qu'avec la peinture, les utilisateurs ont l'option de choisir virtuellement n'importe quelle couleur et look.

En général, le processus de peinture est précédé d'une couche d'apprêt et de mastic. Cela lisse légèrement la surface en comblant les creux et vallées dans une certaine mesure et prépare mieux la surface pour une couche (ou couches) de peinture.

De plus, la peinture sert aussi dans une certaine mesure le but pratique de scellement. Bien que ce ne soit pas un scellant au sens strict, elle peut agir comme tel dans un rôle secondaire. Avec le problème de porosité prévalent en impression 3D, c'est un effet bénéfique.

Quelle méthode de finition de surface d'impression 3D est la meilleure ?

Cela dépend complètement de l'application. Car chaque méthode a ses avantages et inconvénients et convient à une classe spécifique de produits. Si votre seule préoccupation est l'esthétique, la peinture ou le revêtement est votre meilleure option. Si votre produit a des besoins fonctionnels comme la conductivité électrique, par exemple, vous pouvez envisager un matériau approprié pour l'électroplacage.

L'impression 3D a-t-elle une meilleure finition que l'usinage CNC ?

Généralement, l'usinage CNC prend l'avantage sur l'impression 3D en termes de rugosité de surface. Cependant, avec les bonnes techniques de finition de surface et le choix de l'imprimante/méthode, cet écart peut être réduit significativement.