Structures de support additives : pourquoi elles importent et comment les concevoir — Guide essentiel

Publié le 5 avril 2022

La fabrication additive a usheré une nouvelle ère de possibilités de fabrication. La technologie d'impression 3D nous permet de créer des pièces précédemment « infaisables », présentant des dimensions et angles complexes, avec une vitesse et 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 additifs ne peuvent pas être maintenues par le matériau autour d'elles et s'effondrent, causant l'échec de l'impression. Pour adresser ce défi, nous devons parfois concevoir des structures de support dans nos pièces imprimées en 3D.

Pour assurer que vous maximisez le potentiel de votre pièce imprimée en 3D pour la vitesse, la qualité et le coût, il est important de comprendre les structures de support et comment elles devraient être intégrées 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 pas de matériau de support pendant la fabrication. Tous les processus d'impression 3D ne nécessitent pas de structures de support : tandis que les processus Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) et Stéréolithographie (SLA) nécessitent souvent des supports, HP Multi Jet Fusion, qui est un processus d'impression sur lit de poudre, n'en nécessite 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 plateau d'impression par adhésion aux couches de matériau en dessous et peuvent surplomber ces couches inférieures pour créer une surface angulée. Quand cet angle dépasse 45°, l'élément en surplomb nécessite généralement un support ou le poids du matériau non supporté causera l'effondrement de l'élément et l'échec de l'impression.

Gauche : Si le surplomb est de 45° ou moins pris du vertical, les supports ne sont généralement pas nécessaires
Droite : Si le surplomb est supérieur à 45° pris du vertical, les supports sont généralement nécessaires

Quand les supports sont requis, ils doivent être intégrés dans la conception de la pièce et imprimés dans la pièce quand elle est produite. Bien sûr, cela signifie prendre en compte le temps et le matériau supplémentaires qui seront requis pendant le processus d'impression 3D et le retrait subséquent des structures de support en post-traitement.

Exceptions : Toutes les méthodes de fabrication additive ne nécessitent pas de structures de support. Alors que les technologies d'impression 3D comme le fused deposition modeling (FDM) impriment des pièces en ajoutant des couches de matériau à un plateau d'impression, d'autres, comme HP Multi Jet Fusion (MJF) impriment des pièces à partir d'un lit de poudre. Puisque les couches de poudre sont auto-supportantes, les conceptions de pièces HP MJF n'ont pas besoin d'incorporer des structures de support.

Quels types de structures de support sont disponibles ?

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

• Supports arborescents (Tree supports) : Ressemblant à des branches ou troncs, les supports arborescents peuvent encloser une pièce et s'adapter proprement aux surfaces angulées pour la facilité de retrait. Les supports arborescents peuvent être conçus, appliqués et testés rapidement comme partie d'un projet d'impression 3D, permettant une itération rapide. Leur structure en branches signifie qu'ils peuvent s'étendre sur des distances pour supporter des zones spécifiques.
• Supports clôtures (Fence supports) : Ressemblant à des murs, et avec une variété de points de montage, les supports clôtures sont imprimés perpendiculairement à la surface d'une pièce souvent avec une structure en treillis. Les supports clôtures sont plus durables et plus faciles à retirer que les supports arborescents, et sont typiquement un meilleur choix pour les pièces cosmétiques ou la production à haut volume.

Quand devrais-je utiliser des structures de support de fabrication additive ?

La « règle des 45° » suggère que les surplombs imprimés en 3D de 45° et plus nécessiteront un support, tandis que ceux sous 45° n'en auront pas.

Cependant, la règle des 45° devrait être considérée comme une règle empirique générale et le besoin 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 dans laquelle 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 » : Quand conçus comme des modèles imprimés en 3D, debout, les lettres Y, H et T sont utiles pour illustrer la nécessité des 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 surplob 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 plus de 5 mm séparés, 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 d'un surplob, d'autres facteurs peuvent affecter le besoin de structures de support. Ceux-ci incluent la qualité de l'imprimante 3D et la vitesse à laquelle elle imprime : les 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 beaucoup de constructions additives mais il est important de se rappeler qu'elles peuvent affecter significativement le coût d'une pièce en production en volume — sans parler de la quantité de matériau gaspillé que le projet produit finalement. Soin devrait aussi être pris lors du retrait des structures de support puisqu'elles peuvent endommager ou marquer la pièce finie quand elles sont détachées.

Avec ces facteurs en tête, les pièces imprimées en 3D devraient idéalement être conçues pour minimiser ou éliminer le besoin de structures de support et, quand possible, les principes de conception pour la fabrication additive (DFAM) devraient être appliqués pour 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 surplobs, par exemple, peuvent être éliminés en rotationnant une pièce sur son dos ou côté. Dans les exemples ci-dessus, coucher chacun des modèles 3D lettres Y, H et T sur leur dos éliminerait complètement tous les éléments en surplob ainsi que le besoin de structures de support ou de ponts.

Géométrie de la pièce : Quand possible, enlevez les surplobs de votre conception — ou réduisez leur angle à moins de 45°. Évidemment, les exigences fonctionnelles peuvent rendre l'élimination totale des surplobs impossible mais vous pouvez être capable d'introduire des éléments de conception alternatifs comme des chanfreins, goussets et rayons pour rendre la géométrie de la pièce plus auto-supportante.

Séparation de la pièce : La technologie d'impression 3D permet la production de pièces uniques complexes, mais si la quantité de support que ces pièces nécessitent réduit leur qualité ou rentabilité, cela peut valoir la peine de diviser la pièce en composants plus petits qui peuvent être assemblés plus tard. Les pièces sphériques, par exemple, nécessitent un support substantiel mais en les coupant en deux, et en créant une grande surface plate, il est possible d'éliminer le besoin de supports complètement.

Densité des supports : Les pressions exercées sur les structures de support dicteront à quel point elles doivent être fortes et combien de matériau est requis pour les imprimer. Pour assurer une impression réussie et rentable, assurez-vous que vos structures de support sont assez denses pour supporter la taille de l'élément en surplob. Gardez à l'esprit que plus la structure de support est dense, plus il peut être difficile de la retirer post-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 submergées dans l'eau ou des produits chimiques, post-impression, et dissoutes pour laisser une pièce intacte. Les supports solubles réduisent le potentiel de dommage à la pièce finie pendant le processus de retrait des structures de support. La plupart des matériaux additifs FDM ont des supports solubles, les matériaux DLS et SLA n'en ont pas. Le processus HP MJF ne nécessite pas de supports du tout.

Commencer

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

Alors que l'objectif est toujours de réduire ou éliminer le besoin de structures de support, nos ingénieurs visent à optimiser votre pièce pour la fonctionnalité et le coût. Si vous voulez en savoir plus sur comment nous pouvons rendre votre projet de fabrication additive possible, contactez l'équipe SyBridge aujourd'hui.