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Précision dimensionnelle des pièces imprimées en 3D

Cet article aborde ce que l'on attend des pièces produites via l'impression 3D en termes de précision dimensionnelle et explique les raisons des inexactitudes.

Written by Ben Redwood

Dimensional accuracy of 3D printed parts

Introduction

L'objectif de cet article est de fournir aux ingénieurs et aux concepteurs une méthode pour comparer la précision dimensionnelle qui peut être obtenue grâce aux technologies d'impression 3D. Même si toutes les technologies ont des points forts et des points faibles, les deux facteurs qui déterminent le plus si une pièce obtenue en impression 3D sera conforme aux spécifications sont les suivants :

Conception : la précision de l'impression d'une pièce dépend fortement de la conception. Les variations de refroidissement et de durcissement entraînent des contraintes internes qui peuvent conduire à une déformation ou à un retrait. Par exemple, l'impression 3D n'est pas adaptée aux surfaces planes ou aux longs éléments minces non dotés de supports. La précision diminue également à mesure que la taille des pièces augmente. Des recommandations de conception spécifiques pour chacune des technologies abordées dans cet article se trouvent au chapitre 5 de la base de connaissances.

Matières : la précision dépend aussi du matériau. Souvent, la précision d'une pièce est sacrifiée pour mettre en valeur une propriété matière spécifique. Par exemple, une résine SLA standard produira des pièces plus précises sur le plan dimensionnel qu'une résine souple. Pour les pièces où une grande précision est essentielle, il est recommandé d'utiliser des matériaux d'impression standard.

Variables de précision

Afin d'aider à quantifier la précision d'une pièce imprimée en 3D, les paramètres suivants seront utilisés.

  • Précision dimensionnelle : cela concerne les valeurs quantitatives des fabricants de machines et des fournisseurs de matériaux indiquant la précision attendue des pièces. Toutes les tolérances indiquées se rapportent à des pièces bien conçues sur des machines bien étalonnées.
  • Déformation ou retrait : il s'agit de la probabilité qu'une pièce se déforme ou rétrécisse pendant la phase d'impression. Cela dépend fortement de la conception, mais certains procédés produisent des pièces qui sont intrinsèquement plus exposées au risque de déformation ou de retrait.
  • Exigences en matière de support : pour de nombreuses technologies d'impression 3D, la quantité de support utilisée déterminera la précision avec laquelle une surface ou un élément est imprimé. L'inconvénient réside dans le fait que le support affecte la finition de surface d'une pièce car il doit être retiré.

Pour plus d'informations sur la taille minimale des éléments et des détails que chaque technologie d'impression 3D est en mesure de réaliser, veuillez consulter cette page. L'impact de l'épaisseur de la couche sur une pièce imprimée en 3D est abordé dans cet article.

Dépôt de fil fondu (FDM)

Le dépôt de fil fondu (FDM) est le procédé le plus adapté au prototypage économique, où la forme et l'ajustement de la pièce sont plus importants que la fonction. Le procédé FDM produit des pièces une couche à la fois en extrudant un thermoplastique sur une plateforme de construction.

Pour de grandes pièces, cela peut entraîner de grandes variations de température sur la plateforme de construction. Lorsque différentes zones de la pièce refroidissent à des vitesses différentes, les contraintes internes provoquent une déformation ou un retrait de la pièce. Des solutions telles que l'utilisation de pontages, de supports chauffants et de congés sur les arêtes et les angles vifs peuvent contribuer à réduire ce phénomène.

Certains matériaux sont plus sujets à la déformation que d'autres. Par exemple, l'ABS est connu pour être plus susceptible de se déformer que le PLA.

Tolérance dimensionnelle ± 0,5 % (limite inférieure : ± 0,5 mm) : imprimante de bureau / ± 0,15 % (limite inférieure : ± 0,2 mm) : machine industrielle
Retrait et déformation Les thermoplastiques qui nécessitent une température d'impression plus élevée sont plus exposés. Il est recommandé d'ajouter un congé sur le bord inférieur en contact avec la plateforme de construction ou un rebord. Le retrait se situe généralement entre 0,2 et 1 % selon le matériau.
Exigences en matière de support Essentiel pour obtenir une pièce précise. Indispensable pour les surplombs supérieurs à 45o.

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SLA

Les imprimantes SLA (stéréolithographie) utilisent un laser pour polymériser par UV des zones spécifiques d'une cuve de résine afin de former une pièce solide, une couche à la fois. Ces zones durcie ne sont toutefois pas au maximum de leur résistance avant le post-traitement aux UV. Par conséquence et selon l'angle et les orientations dans lesquels les pièces sont généralement imprimées en SLA, les zones non soutenues peuvent s'affaisser.

Étant donné que la pièce est construite couche par couche, cet effet devient cumulatif, ce qui entraîne les différences dimensionnelles parfois observées dans les grandes pièces obtenues en SLA. Des écarts dimensionnels peuvent également se produire en raison du processus de raclage utilisé par certaines imprimantes SLA. La force de traction pendant le processus de raclage peut provoquer une courbure de la pièce souple qui peut s'accumuler à nouveau à mesure que chaque couche s'ajoute.

Les résines qui ont des propriétés de flexion plus élevées (moins rigides) sont plus exposées au risque de déformation et peuvent ne pas convenir à des applications de haute précision.

Tolérance dimensionnelle ± 0,5 % (limite inférieure : ± 0,10 mm) : imprimante de bureau / ± 0,15 % (limite inférieure : ± 0,01 mm) : machine industrielle
Retrait et déformation En général au niveau des zones non soutenues.
Exigences en matière de support Essentiel pour obtenir une pièce précise.

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SLS

Le frittage sélectif par laser (SLS) permet de produire des pièces avec une grande précision et d'imprimer des modèles à géométrie complexe. Un laser sélectionne la poudre à fritter une couche à la fois pour former une pièce solide.

Pour limiter la probabilité de déformation ou de retrait des pièces pendant l'impression, les imprimantes SLS utilisent des cuves de construction chauffées qui maintiennent la poudre juste en dessous de la température de frittage. Cependant, il en résulte toujours des gradients de température dans les grandes pièces issues du procédé SLS où le bas de la pièce a refroidi alors que les couches supérieures récemment imprimées restent à une température élevée. Pour réduire encore la probabilité de déformation, les pièces sont laissées dans la poudre pour refroidir lentement (souvent pendant 50 % de la durée de fabrication totale).

Tolérance dimensionnelle ± 0,3 % (limite inférieure : ± 0,3 mm)
Retrait et déformation Le retrait se situe généralement entre 2 et 3 %, mais la plupart des fournisseurs en impression SLS en tiennent compte dans la conception.
Exigences en matière de support Non requis.

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Dépôt de matière

Le dépôt de matière est considéré comme la forme la plus précise d'impression 3D. Comme il n'y a pas de chaleur dans le processus d'impression, il est rare de subir de la déformation et du retrait.

La plupart des problèmes de précision dimensionnelle sont liés aux formes et parois minces qui sont imprimées en delà des capacités de l'imprimante. Le dépôt de matière imprime le support selon une structure solide à partir d'un matériau secondaire souple qui est retiré après l'impression. La nature solide du support fait que les surfaces en contact avec le support sont imprimées avec un haut niveau de précision. Il faut être prudent lors de la manipulation des pièces produites par dépôt de matière car elles peuvent se déformer et changer de dimension à la suite d'une exposition à la chaleur ambiante, à l'humidité ou à la lumière du soleil.
















Tolérance dimensionnelle ± 0,1 % (limite inférieure : ± 0,05 mm)
Retrait et déformation Pas un problème pour le dépôt de matière.
Exigences en matière de support Essentiel pour obtenir une pièce précise.

Impression 3D métal

L'impression métallique (en particulier les procédés DMLS et SLM) utilise un laser pour sélectionner la poudre de métal à fritter ou fondre afin de produire des pièces métalliques. Tout comme le procédé SLS, l'impression métallique produit des pièces une couche à la fois dans un environnement contrôlé et chauffé sur des machines de taille industrielle. Cette construction couche par couche, associée aux températures très élevées impliquées dans le processus, crée des gradients thermiques extrêmes, et ainsi les contraintes sont intégrées dans la pièce.

Par conséquent, les pièces imprimées en métal présentent un risque élevé de déformation ou de retrait, ce qui signifie que de bonnes pratiques de conception et l'orientation des pièces correcte sont essentielles pour obtenir une pièce précise. Contrairement au procédé SLS, les structures de support sont vitales pour minimiser la distorsion de la pièce pendant la production. Les pièces sont aussi généralement construites sur une plaque de métal solide et doivent être retirées de cette plaque une fois le processus d'impression terminé. Une bonne compréhension du processus est nécessaire, ainsi que des structures de support solides et en treillis pour maintenir la pièce solidement attachée au support d'impression et l'empêcher de se détacher. La plupart des pièces sont également détendues (par un processus de traitement thermique) après leur construction et avant d'être retirées de la plaque de construction (ce qui permet à la structure cristalline de se détendre, évitant ainsi une défaillance ultérieure).

Comme le coût des pièces métalliques imprimées en 3D est élevé, des simulations sont souvent utilisées pour valider la précision d'un dessin, avant de commencer le travail d'impression.

Tolérance dimensionnelle ± 0,1 mm
Retrait et déformation Pièces présentant un risque élevé de retrait ou de déformation. Des mesures de supports et de renforts sont utilisées pour réduire cette probabilité.
Exigences en matière de support Essentiel pour obtenir une pièce précise.

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Règles de base

  • Pour une précision maximale (et lorsque le budget n'est pas une contrainte), le dépôt de matière est la solution optimale.
  • Pour une grande précision, il est recommandé d'utiliser le procédé SLA pour les pièces inférieures à 1000 cm3 (10 x 10 x 10 cm) et la méthode SLS pour les pièces de dimensions supérieures à 1000 cm3 (10 x 10 x 10 cm).
  • Pour un prototypage rapide et rentable, le procédé FDM (dépôt de fil fondu) est la meilleure solution.

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