Maîtriser la fabrication additive : 5 conseils de conception essentiels

Alors que la technologie de fabrication évolue, l'expertise en conception pour la fabrication (DFM) de l'industrie doit elle aussi évoluer. Le paysage de la fabrication additive en particulier a progressé de manière spectaculaire au cours de la dernière décennie : l'impression 3D était considérée comme un outil de prototypage, voire une nouveauté, mais maintenant que la technologie a atteint des capacités de qualité industrielle, la conception pour la fabrication additive (DFAM) est devenue une capacité hautement convoitée parmi les ingénieurs et développeurs de produits.

Donné le rythme rapide du changement, si vous avez passé des années à affiner votre expertise DFM pour les technologies de fabrication traditionnelles, la perspective de devoir apprendre de nouvelles techniques DFAM peut sembler écrasante. Ce défi peut être compliqué davantage par les différentes technologies d'impression 3D : les techniques DFAM optimales pour le dépôt de filament fondu (FDM), par exemple, peuvent être différentes de la stéréolithographie (SLA), de la Synthèse Numérique de Lumière Carbon™ (DLS), ou du HP Multi Jet Fusion (HP MJF) — et entraîner de nouvelles considérations significatives de coût, matériau et conception.

Comprendre la technologie d'impression 3D

Il va sans dire qu'un projet de conception devrait être développé avec une compréhension de la technologie qui sera utilisée pour le créer. L'impression 3D est un processus de fabrication additive ce qui signifie que le matériau est ajouté progressivement, couche par couche, pour former une pièce finie — par opposition à un processus de fabrication soustractif, comme l'usinage CNC, où le matériau est retiré d'une pièce brute par un outil de coupe.

Cependant, malgré ses différences avec les méthodes de fabrication traditionnelles, l'intégration de la fabrication additive avec les cadres de production existants n'a pas à être difficile. Avec un peu de pensée créative et une volonté de changer votre perception, pivoter les conceptions pour la production additive ne sera pas aussi difficile que vous pourriez l'imaginer.

Si vous êtes prêt à faire le changement, voici cinq conseils de conception pour l'impression 3D pour vous aider à démarrer :

1. Préparez-vous aux nouveaux défis

La fabrication additive a ouvert une gamme de possibilités de fabrication, permettant la création de pièces auparavant « infaisables » avec une rapidité et efficacité relatives. Cependant, le DFAM apporte aussi de nouveaux défis que les concepteurs et ingénieurs doivent prendre en compte lorsqu'ils font passer les pièces de leur état numérique à la production physique. Le volume de construction des imprimantes 3D, par exemple, peut restreindre la taille de certaines pièces, et exiger que les projets soient construits en utilisant plusieurs impressions. Pendant ce temps, les technologies d'impression spécifiques ont leurs propres défis : le FDM produit des pièces avec des lignes de couches visibles qui peuvent ne pas être représentées dans les conceptions numériques (et qui peuvent être lissées post-production), et le processus HP MJF nécessite que les pièces passent par un processus de refroidissement, puis soient nettoyées post-impression, ce qui peut rallonger les délais de production.

Le DFAM est une frontière indéniablement excitante mais pour tirer le meilleur de votre technologie d'impression 3D, il est important de concevoir en tenant compte de ces considérations pratiques au fur et à mesure que vous développez les projets.

2. Ajustez les structures de support

Afin de prendre en compte les éléments avec porte-à-faux, les pièces peuvent avoir besoin de structures de support, ce qui peut générer des défis de conception. Le besoin de structures de support dépendra de l'angle auquel un porte-à-faux est défini et il est important de se rappeler que les supports consommeront du matériau d'impression 3D, ajoutant du temps et du coût au processus d'impression.

Heureusement, vous pourriez être en mesure de réduire le besoin de supporter les porte-à-faux — et gagner du temps et de l'argent — avec quelques stratégies simples. Une bonne règle de base est de minimiser l'angle des porte-à-faux sur votre pièce autant que possible : les inclinaisons de 45 degrés et au-delà nécessitent généralement des supports, tandis que celles sous 45 degrés n'en nécessitent pas. De même, vous pourriez être en mesure d'ancrer certaines pièces en faisant du support requis une partie de la conception, ou en ajustant l'orientation de la pièce sur le plateau de construction. Finalement, vous pourriez choisir une méthode d'impression plus « amicale aux supports » : les procédés d'impression 3D à lit de poudre, comme le HP MJF, ne nécessitent pas que les pièces soient conçues avec des supports puisque la poudre dans laquelle elles sont faites est auto-portante.

3. Réduisez la déformation (warping)

Si vous débutez votre parcours en fabrication additive, il est possible que les matériaux additifs disponibles et leurs propriétés vous soient inconnus.

En particulier, les processus d'impression 3D ont tendance à causer la déformation des matériaux (surtout sur les grandes surfaces planes). La déformation peut survenir suite à différentes variables de température : dans le processus FDM, le filament de matériau est extrudé à haute température, puis refroidi. En impression SLA et DLS, les pièces passent par un processus de cuisson post-impression. Dans le processus HP MJF, la déformation survient suite au frittage, qui a lieu dans un lit de matériau chauffé et implique un refroidissement post-impression. Certains processus d'impression 3D sont plus sujets à la déformation que d'autres : les coins des impressions 3D FDM, par exemple, peuvent se déformer et se soulever du plateau d'impression lors de la contraction thermique.

Il peut être possible d'adresser la déformation en s'assurant que les imprimantes 3D sont correctement calibrées, ou en s'assurant que les pièces ont une adhérence appropriée au plateau d'impression. L'effet de déformation peut aussi être atténué dans la conception en réduisant le nombre de bords vifs ou d'éléments en porte-à-faux sur une pièce, ou en arrondissant ses coins pour répartir le stress thermique plus uniformément. De même, les pièces longues ou fines ont une plus grande tendance à se déformer, donc les épaissir pendant la conception peut réduire l'effet. Travailler avec des partenaires expérimentés, comme Fast Radius, est un bon moyen de prévenir la déformation (quand possible) car nous pouvons nous assurer que toute la calibration d'équipement est gérée correctement avant l'impression.

4. Considérez l'épaisseur de paroi

La technologie d'impression 3D est capable d'atteindre une précision impressionnante et de produire des pièces avec des détails très fins — incluant des pièces extrêmement fines. Cependant, comme les pièces moulées par injection, plus une pièce imprimée 3D est fine, plus il est probable que des erreurs surviennent pendant le processus d'impression : les caractéristiques trop fines risquent de se déformer ou se détacher de la pièce avant que la résine ne refroidisse. De même, des pièces extrêmement fines peuvent finir par exacerber toute déformation subséquente lors du refroidissement post-production. Même si une pièce fine passe le processus d'impression, elle peut être endommagée par tout nettoyage, finition ou post-traitement nécessaire.

Avec ces facteurs à l'esprit, vous devriez vous assurer de concevoir vos pièces à l'épaisseur de paroi minimum recommandée pour la technologie d'impression 3D que vous utilisez. Les ingénieurs Fast Radius travailleront avec vous pour déterminer une épaisseur de paroi appropriée pour votre pièce — et pour gérer tout défi unique associé à votre conception.

5. Explorez les opportunités créatives

La technologie d'impression 3D apporte des opportunités de rationaliser et optimiser le processus de production de façons qui ne seraient pas possibles avec d'autres méthodes de fabrication. Ces opportunités incluent l'allègement des pièces sans compromettre leur résistance en retirant du matériau. Une des méthodes d'allègement les plus efficaces pour les pièces imprimées 3D est de concevoir avec des treillis : structures en croisillons qui peuvent être pavées le long de n'importe quel axe, qui utilisent moins de matériau d'impression 3D, et qui réduisent le poids global d'une pièce.

Pensez créativement aux opportunités d'optimisation DFAM. Le treillis, par exemple, se trouve dans de nombreuses structures naturelles, incluant les ruches et les coraux — en effet, le monde naturel représente une vaste ressource pour de futures idées d'optimisation DFAM, offrant un spectre d'inspirations de conception potentiellement utiles. Au-delà de leur poids, les pièces peuvent être optimisées pour des propriétés incluant la ténacité, l'allongement à la rupture, et le transfert de chaleur — métriques qui ont des corrélats dans les propriétés structurales de l'os humain, par exemple, et qui peuvent être émulées (à divers degrés) par la technologie d'impression 3D.

La valeur de l'expertise DFAM

Les avancées technologiques changent le paysage de la fabrication additive mais n'ont pas éliminé l'importance de l'apport d'ingénierie humain. Lors de la transition vers le DFAM, même les meilleurs ingénieurs peuvent bénéficier d'expérience et expertise tierces — ou simplement d'avoir une caisse de résonance externe — alors qu'ils conçoivent pour la technologie d'impression 3D.

En bref, bien qu'il y ait beaucoup de ressources DFAM disponibles à explorer, la résolution de problèmes en personne reste indispensable. Donc que vous ayez besoin d'aide pour optimiser des conceptions existantes, ou partir d'une conception from scratch, l'équipe d'ingénierie de Fast Radius est prête à vous aider : contactez-nous dès aujourd'hui pour commencer.

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