Structures de support additives :pourquoi elles sont importantes et comment les concevoir – Le guide essentiel

Publié le 5 avril 2022

La fabrication additive a inauguré une nouvelle ère de possibilités de fabrication. La technologie d’impression 3D nous permet de créer des pièces auparavant « impossibles à réaliser », présentant des dimensions et des angles complexes, avec une vitesse et une précision sans précédent. Cependant, la nature du processus de fabrication additive, dans lequel le matériau est ajouté couche par couche, signifie souvent que les pièces nécessitent un support pour gérer la pression interne (essentiellement la force de gravité) pendant l'impression. Sans ce support, les couches additives ne peuvent pas être retenues par le matériau qui les entoure et s’effondrer, entraînant l’échec de l’impression. Pour relever ce défi, nous devons parfois concevoir des structures de support dans nos pièces imprimées en 3D.

Pour vous assurer de maximiser le potentiel de votre pièce imprimée en 3D en termes de vitesse, de qualité et de coût, il est important de comprendre les structures de support et la manière dont elles doivent être intégrées dans votre projet de fabrication additive.

Que sont les structures de support dans l'impression 3D ?

Les structures de support soutiennent les éléments d’une pièce imprimée en 3D qui n’ont aucun matériau de support lors de la fabrication. Tous les processus d'impression 3D ne nécessitent pas de structures de support :alors que les processus Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) et Stereolithography (SLA) nécessitent souvent des supports, HP Multi Jet Fusion, qui est un processus d'impression sur lit de poudre, n'en a pas.

Dans le processus de fabrication additive Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), par exemple, des couches de matériau extrudé chauffé sont construites à partir d'un lit d'impression par adhésion aux couches de matériau situées en dessous d'elles et peuvent surplomber ces couches inférieures afin de créer une surface inclinée. Lorsque cet angle dépasse 45°, l'élément en surplomb nécessite généralement un support, sinon le poids du matériau non supporté entraînera l'effondrement de l'élément et l'échec de l'impression.

Gauche :  Si le surplomb est de 45° ou moins par rapport à la verticale, aucun support n'est généralement nécessaire.
Droite :  Si le porte-à-faux est supérieur à 45° par rapport à la verticale, des supports sont généralement nécessaires.

Lorsque des supports sont nécessaires, ils doivent être intégrés à la conception de la pièce et imprimés dans la pièce lors de sa production. Bien sûr, cela signifie prendre en compte le temps et le matériel supplémentaires qui seront nécessaires pendant le processus d'impression 3D et le retrait ultérieur des structures de support après le processus.

Exceptions :  Toutes les méthodes de fabrication additive ne nécessitent pas de structures de support. Alors que les technologies d'impression 3D telles que la modélisation par dépôt fondu (FDM) impriment des pièces en ajoutant des couches de matériau sur un lit d'impression, d'autres, comme HP Multi Jet Fusion (MJF), impriment des pièces à partir d'un lit de poudre. Étant donné que les couches de poudre sont autoportantes, les conceptions de pièces HP MJF n'ont pas besoin d'incorporer de structures de support.

Quels types de structures de support sont disponibles ?

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

• Supports d'arbre :  Ressemblant à des branches ou à des troncs, les supports d'arbres peuvent enfermer une partie et s'adapter parfaitement aux surfaces inclinées pour faciliter leur retrait. Les supports d'arbres peuvent être conçus, appliqués et testés rapidement dans le cadre d'un projet d'impression 3D, permettant une itération rapide. Leur structure en forme de branche leur permet de s'étendre sur de longues distances pour soutenir des zones spécifiques.
• Supports de clôture :  Ressemblant à des murs et dotés de divers points de montage, les supports de clôture sont imprimés perpendiculairement à la surface d’une pièce, souvent avec une structure en treillis. Les supports de clôture sont plus durables et plus faciles à retirer que les supports d'arbres, et constituent généralement un meilleur choix pour les pièces cosmétiques ou la production en grand volume.

Quand dois-je utiliser des structures de support pour la fabrication additive ?

La « règle des 45° » suggère que les surplombs imprimés en 3D de 45° et plus nécessiteront un support, tandis que ceux de moins de 45° ne le feront pas.

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

Le principe « YHT » :lorsqu'elles sont conçues sous forme de modèles imprimés en 3D, debout, les lettres Y, H et T sont utiles pour illustrer la nécessité de structures de support de fabrication additive.

• La lettre Y :  Deux bras s'étendent de la lettre Y à 45° – l'angle de leur surplomb 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 seront 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 en 3D l'élément horizontal du H avec un pont. Si les éléments verticaux sont espacés de plus de 5 mm, 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 du surplomb, d’autres facteurs peuvent influer sur le besoin de structures de support. Ceux-ci incluent la qualité de l'imprimante 3D et la vitesse à laquelle elle imprime :des imprimantes plus lentes, par exemple, peuvent augmenter le besoin de structures de support.

Structures de support :défis de fabrication

Les structures de support sont une nécessité dans de nombreuses constructions additives, mais il est important de se rappeler qu'elles peuvent affecter de manière significative le coût d'une pièce en production en volume, sans parler de la quantité de déchets que le projet produit finalement. Des précautions doivent également être prises lors du retrait des structures de support, car elles pourraient endommager ou marquer la pièce finie lors de leur détachement.

En gardant ces facteurs à l'esprit, 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 en termes de qualité, de coût et de temps de production. Les stratégies suivantes peuvent aider à réduire le besoin de structures de soutien :

Orientation :  L'orientation des pièces sur le lit d'impression peut affecter le besoin de structures de support. Les surplombs, par exemple, peuvent être éliminés en faisant pivoter une pièce sur le dos ou sur le côté. Dans les exemples ci-dessus, poser chacune des lettres du modèle 3D Y, H et T sur leur dos éliminerait complètement tout élément en surplomb ainsi que le besoin de structures de support ou de ponts.

Géométrie de la pièce :  Dans la mesure du possible, supprimez les surplombs de votre conception ou réduisez leur angle à moins de 45°. Évidemment, les exigences fonctionnelles peuvent rendre impossible l'élimination totale des surplombs, mais vous pourrez 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 autoportante.

Séparation des pièces :  La technologie d'impression 3D permet la production de pièces uniques complexes, mais si la quantité de support dont ces pièces ont besoin réduit leur qualité ou leur rentabilité, il peut être intéressant de diviser la pièce en composants plus petits qui pourront être assemblés ultérieurement. Les pièces sphériques, par exemple, nécessitent un support important, 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 et la quantité de matériau nécessaire pour les imprimer. Pour garantir une impression réussie et rentable, assurez-vous que vos structures de support sont suffisamment denses pour supporter la taille de l'élément en surplomb. Gardez à l'esprit que plus la structure de support est dense, plus il peut être difficile de la retirer après l'impression.

Supports solubles :  Certaines technologies d'impression 3D peuvent être capables d'imprimer des structures de support dans un matériau soluble séparé, via une buse d'impression secondaire. Ces structures de support peuvent être immergées dans de l’eau ou des produits chimiques, post-imprimées et dissoutes pour laisser une pièce intacte. Les supports solubles réduisent le risque de dommages à la pièce finie lors du processus de retrait de la structure de support. La plupart des matériaux additifs FDM ont des supports solubles, contrairement aux matériaux DLS et SLA. Le processus HP MJF ne nécessite aucun support.

Démarrage

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

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