Six variables de contrôle de processus essentielles au succès de votre fabrication additive

Les processus de fabrication additive fonctionnent à des échelles bien plus complexes et compliquées que ce que les opérateurs de machines humaines sont capables de contrôler sans aide. Les méthodes basées sur les couches telles que la modélisation par dépôt de fusion (FDM) peuvent être configurées en fonction d'un large éventail de variables, notamment l'échelle des pixels et l'angle d'impression, qui sont difficiles, voire impossibles, à valider manuellement. Pour cette raison, les fabricants ont besoin de méthodes éprouvées pour s'assurer que les processus de production additive sont précis, précis, économiques et sûrs à la fois dans et entre les travaux d'impression.

D'une manière générale, ces méthodes - appelées contrôles de processus - sont des systèmes industriels qui permettent aux ingénieurs de gérer des processus complexes afin qu'ils produisent des résultats cohérents. Par exemple, les contrôles de processus de fabrication additive peuvent aider à optimiser de nombreux paramètres de production essentiels pour garantir que les pièces atteignent des normes similaires en matière de précision géométrique, de caractéristiques de performance, de propriétés mécaniques, de tolérance dimensionnelle et de qualités.

La majorité des imprimantes 3D industrielles - y compris la plupart des machines de fusion laser sur lit de poudre (LBPF) - incluent désormais des systèmes de surveillance en boucle fermée, qui utilisent des caméras ainsi que des capteurs thermiques et de position pour collecter des données sur la sortie de l'imprimante et détecter les écarts en temps réel .

Également connus sous le nom de systèmes de rétroaction, ces contrôles de processus in situ effectuent des ajustements en fonction de la sortie afin d'obtenir les conditions ou propriétés souhaitées, affinant ainsi la cohérence et la qualité de la production de pièces. Bien que moins courantes, certaines imprimantes 3D disposent d'outils de simulation "feed-forward" qui entrent des commentaires directement dans le système en boucle fermée de l'appareil, ce qui permet un contrôle du processus en temps réel et des impressions plus cohérentes.

Variables critiques de contrôle de processus additif

La précision et la qualité des pièces imprimées en 3D sont influencées par des dizaines de variables qui doivent être rigoureusement contrôlées pour obtenir des résultats cohérents. En général, ces variables correspondent à l'une des six catégories.

1. Environnement

Le contrôle des conditions physiques de l'espace où les pièces sont créées est fondamental pour garantir des impressions cohérentes. Des facteurs tels que l'humidité, la qualité de l'air et la température peuvent avoir un impact significatif sur la façon dont le matériau s'extrude et se lie entre les couches. Il est essentiel de savoir comment chacun de ces facteurs affecte la qualité d'impression.

2. Machine

La technologie utilisée lors de la production introduit un certain nombre de variables qui doivent être prises en compte.

La qualité d'une machine peut atténuer certains de ces facteurs. Par exemple, la tolérance que vous pouvez atteindre ne sera aussi bonne que la pièce la moins précise de la machine; peu importe le prix d'une extrudeuse si les contrôleurs et les moteurs qui l'entraînent sont imprécis. Des facteurs supplémentaires, tels que la force d'extrusion et la température de l'imprimante et de la plate-forme, ont des effets directs sur la force d'adhérence du matériau et la stabilité de l'interface.

3. Matériel

Alors que différentes caractéristiques des matériaux ont bien sûr un impact sur les performances et la fonction de la pièce finale, ces qualités doivent également être prises en compte dans le processus de production. Si les matériaux ont des exigences de stockage ou de manipulation spécifiques, ou doivent être préparés d'une manière spécifique avant l'impression, des contrôles de processus doivent être établis pour chaque variable afin de garantir qu'un travail peut être répété avec des résultats similaires.

4. Géométrie et orientation de la pièce

En plus d'optimiser la conception des pièces pour la fabrication, les ingénieurs doivent définir comment la pièce sera produite dans la chambre de fabrication des imprimantes. Des facteurs tels que l'orientation de la pièce par rapport à la plaque de construction, la conception du matériau de support et l'alignement des caractéristiques critiques sur le plan d'impression le plus précis de la machine contribuent tous à l'efficacité et à la qualité de la production.

5. Post-traitement

Une fois l'impression terminée, les pièces peuvent devoir subir des processus supplémentaires avant la post-production pour un certain nombre de raisons. Si du matériel de support a été utilisé, il devra être retiré. Certaines caractéristiques peuvent devoir être percées pour augmenter la précision du produit final. Les étapes secondaires peuvent également être sensibles au facteur temps. Dans tous les cas, ces processus doivent être standardisés.

6. Assurance qualité

L'optimisation du post-traitement permet en outre d'assurer la précision des pièces et d'obtenir les qualités esthétiques souhaitées. Des paramètres similaires doivent être établis pour la manière dont les supports sont retirés, la finition des surfaces et la manière dont les détails cosmétiques, tels que l'estampage à chaud ou le placage, sont appliqués. Enfin, les méthodes utilisées pour mesurer, valider et qualifier les pièces (une pratique connue sous le nom de métrologie) doivent être cohérentes.

Optimiser les processus de production additive pour les variables critiques

Après avoir identifié les variables impliquées dans un travail de production donné, l'étape suivante pour les équipes produit consiste à concevoir un processus permettant une gestion efficace des variables. L'étalonnage des processus nécessitera des essais et des erreurs, mais un avantage important des processus de fabrication additive est qu'ils sont itératifs, ce qui permet des mises à jour rapides des conceptions numériques sans nécessiter de changements d'outils coûteux et chronophages.

L'optimisation des processus de production additive pour l'exactitude et la précision devrait généralement impliquer les étapes suivantes :

1. Collecter des ensembles de données étendus basés sur les variables de contrôle de processus
2. Exécuter des analyses statistiques et de corrélation des ensembles de données pour établir la dépendance entre les variables et les entrées
3. Sur la base de dépendances variables, réalisez des plans d'expériences ciblés (DOE) pour mettre en lumière les principales causes d'incohérences ou d'écarts
4. Modifier le processus de production pour obtenir une plus grande exactitude et précision

Ce cycle doit être répété jusqu'à ce que le processus produise de manière fiable des pièces de haute qualité avec les caractéristiques et les tolérances dimensionnelles souhaitées. Cependant, des tests doivent être effectués de manière continue pour garantir que le processus est cohérent et efficace.

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Les contrôles de processus sont essentiels pour garantir que les méthodes de production restent efficaces et cohérentes, et les développements dans les technologies de contrôle des processus de fabrication additive ont été à la fois rapides et significatifs. L'intégration accrue de capteurs IoT et d'algorithmes d'apprentissage automatique dans les systèmes d'impression 3D permet aux équipes de produits de créer des pièces avec plus de précision et de rapidité. De plus, de nouvelles technologies révolutionnaires telles que l'analyse de simulation, la conception expérimentale et l'industrialisation des systèmes de contrôle ont le potentiel de rationaliser et d'affiner le secteur de la fabrication additive.

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