L’impression 3D de métaux révolutionne la façon de concevoir les pièces


Le frittage laser direct de métal offre une liberté conceptuelle inédite à ceux qui souhaitent repenser la conception traditionnelle des pièces

 

 

C’est une des règles élémentaires de la fabrication : plus une pièce est complexe, plus ses coûts d’usinage et d’assemblage augmentent. Et s’il existait un autre moyen de produire des pièces métalliques, une technique qui soit moins contraignante que les procédés de fraisage, de tournage et de rectification traditionnels et qui permette de fabriquer des pièces complexes en moins de temps et avec peu d’interventions humaines ?

Passez à la technique d’impression 3D industrielle du frittage laser direct de métal (DMLS). Basé sur la technologie de la fabrication additive, le DMLS produit des pièces finales et des prototypes métalliques parfaitement fonctionnels, il simplifie l’assemblage en réduisant le nombre de composants et ouvre la voie à une complexité quasi illimitée sans coût supplémentaire.

Des projets bien étudiés
Le DMLS fonctionne selon le principe suivant : un modèle de pièce est découpé en tranches de l’épaisseur d’une feuille de papier qui sont successivement « dessinées » par un laser sur un lit de poudre de métal (aluminium, titane, acier inoxydable, acier maraging, etc.). De la base au sommet, chaque particule de métal est chauffée et agglomérée aux particules voisines, l’opération s’effectuant couche par couche jusqu’à l’obtention de la pièce finie. Cette technique permet d’obtenir un produit métallique très dense dont les propriétés de résistance mécanique et de résistance à la fatigue diffèrent peu, voire excèdent, celles d’une pièce usinée ; elle minimise en outre les coûts d’outillage, réduit sensiblement les temps de fabrication et génère peu de déchets.

Illustration du procédé de frittage laser direct de métal (DMLS)

Illustration du procédé de frittage laser direct de métal (DMLS)

Vous êtes prêt à tester le DMLS ? Avant d’essayer, vous devez savoir plusieurs choses. Bien que cette technologie produise des pièces très denses faites de métaux anticorrosion très résistants, certains éléments ont tendance à se déformer ou à s’incurver s’ils ne sont pas correctement soutenus pendant la fabrication. La conception des supports de fabrication n’est pas une question dont les concepteurs et les ingénieurs doivent forcément se soucier, mais vous devez savoir que certaines formes sont particulièrement difficiles à fabriquer et qu’en modifiant un tant soit peu votre pièce, vous pouvez à la fois réduire les coûts de fabrication et améliorer la qualité du produit.

Abécédaire
Prenons l’exemple des lettres de l’alphabet. Le DMLS offre la possibilité d’imprimer plusieurs composants différents en un même cycle de fabrication à la seule condition qu’ils entrent dans la chambre de fabrication de la machine – ce qui, chez Proto Labs, correspond à un volume d’environ 250 mm sur 250 mm sur 300 mm.

Commençons par la lettre A. À moins que la barre horizontale mesure moins de 2 mm de long, il faudra prévoir des supports verticaux pour éviter qu’elle ne se déforme. Bien que non problématique en soi, cette opération génèrera des coûts de rectification ou d’usinage pour le retrait de ces supports après la fabrication. Il en va de même pour la lettre T qui, sans supports sous ses ailes horizontales, celles-ci s'affaisseront. Les lettres B, D, P et R sont particulièrement problématiques puisque les supports resteront à l’intérieur de la pièce (là où ils sont le plus difficile à retirer). Les formes arrondies comme l’O et le Q ne s’en tirent pas mieux, sauf à être très petites : plus ou moins du diamètre d’une paille. En fait, seuls le X et l’Y ne nécessiteront aucune forme de soutien, mais pour cela, leurs bras devront former un angle d’au moins 45 degrés avec l’horizontale.

La distance maximale autorisée pour les parties non soutenues est faible : 2 mm

Dans notre exemple, la lettre A représente une pièce comportant une barre transversale horizontale. À moins que cette barre mesure moins de 2 mm de long, il faut prévoir des supports verticaux pour éviter qu’elle ne se déforme, comme le montre l’illustration ci-dessus.

Question d’orientation
Attendez une minute… Pourquoi ne pas tout simplement coucher nos lettres ? « Eurêka ! », crierez-vous. C’est gagné. Dans ce cas, les parois de toutes les lettres sont verticales et le seul support nécessaire est une série de renforts verticaux interconnectés entre la base de chaque lettre et le plateau de fabrication de la machine de DMLS, un peu comme les échafaudages utilisés pour le ravalement d’un bâtiment. Ils sont faciles à retirer une fois la pièce terminée et évitent tout contact direct avec de grandes surfaces plates, qui peuvent se déformer ou endommager le plateau de fabrication. Cela garantit également l’obtention du meilleur état de surface possible. En effet, plus les parois dévient de la verticale sur les pièces imprimées par DMLS, plus la rugosité augmente, cette dernière étant maximale sur les surfaces inclinées tournées vers le bas.

L’épaisseur des parois est un autre paramètre à prendre en compte. Ainsi, les parois de moins de 1 mm d’épaisseur doivent présenter un rapport hauteur/épaisseur inférieur à 40:1 pour ne pas tomber. À l’inverse, les parois très épaisses constituent un gaspillage de ressources et sont longues à fabriquer. Il vaut mieux les évider et prévoir une structure en nid-d’abeilles ou en treillis pour réduire les coûts de matière et les délais de traitement tout en préservant l’intégrité structurelle de la pièce.

Les structures en treillis sont d’ailleurs l’un des meilleurs tours de passe-passe que l’on puisse exécuter en matière de fabrication additive. Quasi impossibles à produire avec les procédés d’usinage classiques, elles sont relativement simples à fabriquer par DMLS. C’est également le cas des structures arborescentes, des spirales inspirées des coquillages ou d’autres formes organiques qui peuvent toutes être fabriquées pour un coût raisonnable par impression 3D. Une dose d’imagination et le bon logiciel de CAO suffisent.

Nous conclurons par un dernier conseil : alors que Proto Labs incite les concepteurs et les ingénieurs à libérer leur créativité, il est important de garder un œil sur l’objectif visé. En effet, le DMLS permet de repousser les limites de la conception des prototypes et des petites séries de pièces, mais en raison de facteurs économiques, ce procédé n’est pas encore viable pour la production de grandes séries. Il est donc judicieux d’expliquer l’intégralité du cycle de vie de votre produit à une personne qui connaît parfaitement tous les types de fabrication ; cela vous évitera de concevoir un produit pour finalement découvrir que sa production est limitée à quelques centaines d’exemplaires.