Optimiser l'impression 3D : Le rôle crucial des structures de support et stratégies de conception

La fabrication additive a inauguré une nouvelle ère de possibilités de production. La technologie d'impression 3D permet de créer des pièces auparavant « impossibles à fabriquer », aux géométries et angles complexes, avec une vitesse et une précision sans précédent. Cependant, la nature même du processus de fabrication additive — où le matériau est déposé couche par couche — implique souvent que les pièces nécessitent un support pour gérer la pression interne, essentiellement la force de gravité, pendant l'impression. Sans ce soutien, les couches additives ne peuvent pas être maintenues par le matériau environnant et s'effondrent, entraînant l'échec de l'impression. Pour relever ce défi, il faut parfois intégrer des structures de support dans la conception des pièces imprimées en 3D.

Pour exploiter pleinement le potentiel de votre pièce imprimée en 3D en termes de rapidité, de qualité et de coût, il est essentiel de comprendre les structures de support et la manière de les intégrer dans votre projet de fabrication additive.

Que sont les structures de support en impression 3D ?

Les structures de support maintiennent les éléments d'une pièce imprimée en 3D qui n'ont aucun matériau de soutien pendant la fabrication. Tous les procédés d'impression 3D n'exigent pas de structures de support : tandis que le Fused Deposition Modeling (FDM) de Stratasys, le Digital Light Synthesis™ (DLS) de Carbon et la stéréolithographie (SLA) nécessitent souvent des supports, le Multi Jet Fusion de HP, qui est un procédé de lit de poudre, n'en a pas besoin.

Dans le procédé de modélisation par dépôt de filament fondu (FDM) de Stratasys, par exemple, des couches de matériau chauffé et extrudé sont construites à partir d'un plateau d'impression par adhésion aux couches inférieures et peuvent dépasser ces dernières pour créer une surface inclinée. Lorsque cet angle dépasse 45°, l'élément en porte-à-faux nécessite généralement un support, sinon le poids du matériau non soutenu provoquera l'effondrement de l'élément et l'échec de l'impression.

Lorsque des supports sont nécessaires, ils doivent être intégrés à la conception de la pièce et imprimés en même temps qu'elle. Cela implique bien sûr de prendre en compte le temps et le matériau supplémentaires requis pendant le processus d'impression 3D, ainsi que l'élimination ultérieure des structures de support en post-traitement.

Exceptions : Toutes les méthodes de fabrication additive ne requièrent pas de structures de support. Alors que des technologies comme le FDM construisent les pièces en ajoutant des couches de matériau sur un plateau, d'autres, comme le Multi Jet Fusion (MJF) de HP, impriment les pièces à partir d'un lit de poudre. Comme les couches de poudre sont auto-portantes, les conceptions pour HP MJF n'ont pas besoin d'intégrer de structures de support.

Quels types de structures de support sont disponibles ?

Les structures de support pour pièces imprimées en 3D varient par leur conception et leur type, mais peuvent être globalement classées en deux catégories : les « arbres » et les « clôtures ».

• Supports arborescents : Ressemblant à des branches ou des troncs, les supports arborescents peuvent envelopper une pièce et s'adapter parfaitement aux surfaces inclinées pour faciliter leur retrait. Ils peuvent être conçus, appliqués et testés rapidement dans un projet d'impression 3D, permettant une itération rapide. Leur structure en branches leur permet d'atteindre des zones spécifiques à distance pour les soutenir.

• Supports en clôture : Ressemblant à des murs, avec divers points d'ancrage, les supports en clôture sont imprimés perpendiculairement à la surface de la pièce, souvent avec une structure en treillis. Ils sont plus durables et plus faciles à retirer que les supports arborescents, et constituent généralement un meilleur choix pour les pièces esthétiques ou la production en grande série.

Quand utiliser les structures de support en fabrication additive ?

La « règle des 45° » suggère que les porte-à-faux d'impression 3D de 45° et plus nécessiteront un support, tandis que ceux inférieurs à 45° n'en auront pas besoin.

Cependant, la règle des 45° doit être considérée comme une règle empirique générale ; la nécessité de structures de support variera selon la complexité de la conception de la pièce et le matériau utilisé. Dans certains cas, le pontage (bridging) peut offrir une alternative aux structures de support : le pontage est une technique où le matériau additif chauffé est étiré sur une courte distance (généralement moins de 5 mm) sans compromettre l'intégrité de la pièce.

Le principe « YHT » : Conçues comme des modèles imprimés en 3D, debout, les lettres Y, H et T sont utiles pour illustrer la nécessité des structures de support en fabrication additive.

• La lettre Y : Les deux bras de la lettre Y s'étendent à 45° — l'angle de leur porte-à-faux ne nécessite pas de structures de support. Plus l'angle de porte-à-faux dépasse 45°, plus il est probable que des structures de support soient nécessaires.

• La lettre H : Si les deux éléments verticaux de la lettre H sont à moins de 5 mm l'un de l'autre, il peut être possible d'imprimer l'élément horizontal du H par pontage. Si les éléments verticaux sont à plus de 5 mm l'un de l'autre, l'élément horizontal peut nécessiter des structures de support.

• La lettre T : Les deux bras de la lettre T s'étendent de l'élément vertical à 90° et nécessiteront des structures de support.

Au-delà de l'angle de porte-à-faux, d'autres facteurs peuvent influencer le besoin de structures de support. Parmi eux, la qualité de l'imprimante 3D et sa vitesse d'impression : les imprimantes plus lentes peuvent, par exemple, augmenter la nécessité de structures de support.

Structures de support : Défis de fabrication

Les structures de support sont une nécessité dans de nombreuses fabrications additives, mais il est important de se rappeler qu'elles peuvent affecter significativement le coût d'une pièce en production de volume — sans parler de la quantité de matériau gaspillé que le projet produit finalement. Il faut également faire attention lors du retrait des structures de support, car elles peuvent endommager ou marquer la pièce finie lors de leur détachement.

Compte tenu de ces facteurs, les pièces imprimées en 3D devraient idéalement être conçues pour minimiser ou éliminer le besoin de structures de support et, dans la mesure du possible, les principes de conception pour la fabrication additive (DFAM) devraient être appliqués afin d'optimiser les pièces pour la qualité, le coût et le temps de production. Les stratégies suivantes peuvent aider à réduire le besoin de structures de support :

Orientation : L'orientation des pièces sur le plateau d'impression peut affecter le besoin de structures de support. Les porte-à-faux, par exemple, peuvent être éliminés en faisant pivoter une pièce sur le dos ou sur le côté. Dans les exemples ci-dessus, coucher chacune des lettres Y, H et T sur le dos éliminerait complètement tous les éléments en porte-à-faux, ainsi que le besoin de structures de support ou de ponts.

Géométrie de la pièce : Dans la mesure du possible, supprimez les porte-à-faux de votre conception — ou réduisez leur angle à moins de 45°. Évidemment, les exigences fonctionnelles peuvent rendre l'élimination totale des porte-à-faux impossible, mais vous pouvez peut-être introduire des éléments de conception alternatifs tels que des chanfreins, des goussets et des rayons pour rendre la géométrie de la pièce plus auto-portante.

Séparation de la pièce : La technologie d'impression 3D permet la production de pièces complexes en un seul tenant, mais si la quantité de support dont ces pièces ont besoin réduit leur qualité ou leur rentabilité, il peut être judicieux de diviser la pièce en composants plus petits qui pourront être assemblés ultérieurement. Les pièces sphériques, par exemple, nécessitent un support substantiel, mais en les divisant en deux et en créant une grande surface plane, il est possible d'éliminer complètement le besoin de supports.

Densité du support : Les pressions exercées sur les structures de support dicteront leur résistance nécessaire et la quantité de matériau requise pour les imprimer. Pour garantir une impression réussie et rentable, assurez-vous que vos structures de support sont assez denses pour supporter la taille de l'élément en porte-à-faux. Gardez à l'esprit que plus la structure de support est dense, plus elle peut être difficile à retirer après l'impression.

Supports solubles : Certaines technologies d'impression 3D peuvent imprimer les structures de support dans un matériau soluble distinct, via une deuxième buse d'impression. Ces supports peuvent être immergés dans l'eau ou des produits chimiques après l'impression et se dissoudre pour laisser une pièce intacte. Les supports solubles réduisent le risque d'endommagement de la pièce finie lors du retrait des structures de support. La plupart des matériaux FDM ont des supports solubles ; les matériaux DLS et SLA n'en ont pas. Le procédé HP MJF ne nécessite pas de supports du tout.

Pour commencer

Les structures de support continueront de jouer un rôle intégral dans la plupart des projets de fabrication additive.

Si l'objectif est toujours de réduire ou d'éliminer le besoin de structures de support, nos ingénieurs visent à optimiser votre pièce pour la fonctionnalité et le coût. Si vous souhaitez en savoir plus sur la manière dont nous pouvons rendre votre projet de fabrication additive possible, contactez l'équipe Fast Radius dès aujourd'hui.

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