Exploiter la simulation en impression 3D pour qualité et précision supérieures

Découvrez les avantages et l'état de l'art de la simulation en impression 3D. Cet article explique pourquoi, quoi et comment simuler en impression 3D et donne des conseils pour débuter.

Introduction

La simulation du processus de fabrication devient progressivement partie intégrante du flux de travail en impression 3D. Les simulations aident à comprendre et visualiser les phénomènes thermomécaniques complexes pendant la fabrication, résultant en pièces de haute qualité et haute précision.

C'est particulièrement important pour composants haute valeur fabriqués via procédés d'impression 3D de pointe, où les itérations de design (rejet impression défectueuse) sont très coûteuses en matière et temps de fabrication.

Les simulations du processus d'impression 3D ne doivent pas être confondues avec les simulations MEC (méthode éléments finis) mécaniques plus courantes : ces dernières évaluent la performance mécanique d'une pièce sous conditions liées à sa fonction (charge, déformation, température...), tandis que les premières prédisent le résultat du processus de fabrication couche par couche sous certains paramètres de processus.

Cet article présente d'abord les principaux bénéfices de la simulation pour chaque procédé d'impression 3D, puis examine les détails d'une simulation réussie avec conseils pratiques pour débuter.

Pourquoi utiliser la simulation en impression 3D ?

Simuler le processus d'impression 3D est très précieux car cela permet de :

• Éviter les échecs d'impression et rebuts pour problèmes géométriques, économisant temps et réduisant coût global.
• Évaluer le risque de production et donner pistes pour réduire la probabilité d'échec.
• Comprendre la physique du processus de fabrication.
• Prédire les caractéristiques microstructurales de la pièce finale.
• Optimiser la production pour améliorer vitesse, réduire opérations post-traitement ou améliorer précision en réduisant déformation pièce et supports.

La simulation peut s'effectuer avant ou après génération des structures de support :

• Avant génération supports : résultats identifient zones critiques de déformation significative ou contrainte interne pendant fabrication. Le designer peut alors ajouter supports adaptés pour minimiser déformation, changer orientation pour modifier zones d'accumulation chaleur, ou modifier géométrie du modèle 3D pour améliorer qualité résultat final.
• Après génération supports : simulations aident à minimiser risque d'échec production (ex. interférence racleur), garantir dimensions pièce finale dans plage de tolérance spécifiée, et évaluer impact de différents paramètres d'impression (ex. comparaison paramètres optimisés production vs paramètres optimisés précision).

Dans les deux cas, les simulations aident à réduire le risque de fabrication haute valeur et à améliorer la productivité de l'impression 3D grand volume, économisant semaines de production et milliers d'euros en coûts développement et production.

Quels procédés d'impression 3D simuler ?

Les simulations sont plus pertinentes pour impression 3D haute valeur et haute précision. De plus, les packages de simulation contemporains les plus populaires sont basés sur solveurs de simulation de soudage métal. Ainsi, simulations plus couramment utilisées avec impression 3D métal.

Cependant, tous principaux procédés peuvent être simulés :

• SLM/DMLS : Plus anciens et matures parmi impression 3D métal ; nombreux logiciels s'y concentrent. Températures de fusion métaux > températures frittage polymères = contraintes thermomécaniques les plus importantes en SLM/DMLS.
• EBM : Plus récent que SLM/DMLS ; peu de logiciels offrent solutions. Simulations EBM aident identifier zones d'accumulation chaleur générées par faisceau d'électrons.
• FDM : Problème principal = gauchissement (warping), dû au refroidissement différentiel du thermoplastique extrudé. Simulation aide vérifier si pièce doit être redessinée ou si un brim (bordure) doit être ajouté pour augmenter adhérence au plateau.
• SLA/DLP : Problème principal = curling (similaire au warping). Peu de solutions logicielles pour simuler SLA actuellement.
• SLS : Pas de supports requis, mais zones d'accumulation thermique peuvent apparaître, résultant en mauvaise lissage surface ou gauchissement. Simulation aide identifier ces zones.

Sorties & résultats de simulation

Distribution de température

Le gradient de température est la cause racine de tous phénomènes mécaniques pendant une construction.

Le gradient peut parfois être calculé seul, sans déformation mécanique. Généralement plus rapide qu'une simulation complète et résoudre problèmes d'accumulation chaleur peut résoudre simultanément problèmes déformation mécanique.

Distribution gradient température modèle discrétisé (SLM/DMLS) dans Netfabb. Aimablement fourni par Poly-Shape

Déformation

En supposant vraies propriétés mécaniques matériau connues, la déformation de la pièce pendant fabrication est calculable.

La direction de déformation est généralement correcte quels que soient paramètres simulation, mais l'amplitude dépend étroitement de la taille du maillage : maillage plus fin = résultats plus précis, mais temps calcul plus long.

Vecteurs déformation modèle (SLM/DMLS) dans Netfabb. Aimablement fourni par Poly-Shape

Interférence racleur (recoater)

En technologies lit de poudre (SLS, SLM/DMLS), si déformation axe Z > épaisseur couche, le racleur peut entrer en contact avec la pièce, l'emportant et causant échec. Certains packages permettent de définir hauteur tolérance racleur et alertent si déformation Z dépasse ce seuil.

Étapes de post-traitement

Le focus principal des packages simulation impression 3D est le calcul phénomènes thermomécaniques pendant fabrication. Mais d'autres problèmes peuvent apparaître aux étapes ultérieures.

Pendant détachement pièce du plateau ou retrait supports, contraintes résiduelles du processus peuvent déformer la pièce. Traitements thermiques peuvent soulager contraintes internes. Certains packages permettent simuler ces étapes post-traitement et évaluer si traitement thermique nécessaire (ou même efficace).

Liste de logiciels de simulation

Discrétisation

Première étape d'une bonne simulation : discrétisation correcte du volume de la pièce.

Contrairement à la simulation mécanique classique utilisant maillage conforme avec tétraèdres, la plupart des logiciels simulation impression 3D utilisent la voxelisation. Le volume 3D de la pièce est représenté par petits cubes (voxels), comme une image 2D sur écran par pixels carrés. Plus d'éléments maillage = résultats plus précis, mais temps simulation augmente significativement. Trouver le bon équilibre est clé.

Pour simulation initiale, intéressant de lancer d'abord simulation grossière, gros voxels, pour résultats « quick and dirty ». Obtention en secondes/minutes des zones principales de déformation. Coût faible et aide décider si simulation plus précise (voxels plus petits) nécessaire.

Matériau & paramètres d'impression

Une fois pièce discrétisée, sélectionnez propriétés matériau. Définir propriétés matériau = étape probablement la plus cruciale du processus simulation, car données inexactes = résultats erronés.

La plupart éditeurs fournissent leur propre bibliothèque matériaux, très utile pour démarrer.

Dans les deux cas, probablement pas parfaitement adaptées pour simulations. Tout logiciel permet de modifier ou créer ses propres matériaux pour générer simulations les plus précises. Cela requiert expertise science des matériaux pour être fait correctement, non recommandé utilisateurs inexpérimentés.

Calibration

Certains logiciels permettent calibrer propriétés matériau sur éprouvettes imprimées en matériau spécifique et sur machine spécifique. Ainsi, propriétés matériau plus précises identifiées = résultats simulation plus précis.

Règles pratiques

• Simuler avant génération supports pour améliorer géométrie pièce et aider design supports.
• Simuler après génération supports pour valider précision et vérifier interférence racleur.
• D'abord simulation rapide gros voxels pour identifier zones forte déformation. Puis affiner maillage pour améliorer précision résultats.
• Simuler température sans résolution mécanique pour gagner temps, car résoudre accumulation chaleur peut aussi résoudre problèmes déformation mécanique.
• Privilégier logiciels simulation cloud pour performance rapide, mais solveurs locaux si requis pour conformité politiques confidentialité.

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