Conseil de conception

Impression 3D industrielle pour les pièces de production

Pleins feux sur le procédé, la sélection de matières et la géométrie des pièces lors de la conception de pièces fonctionnelles en métal et en thermoplastique destinées à la fabrication additive

Examinez cette liste : Injecteurs pour moteur LEAP de General Electric, supports de cabine pour avion Airbus A350, appareils auditifs et prothèses du crâne, de la hanche et de la cage thoracique destinées à un patient particulier, et boîtiers d'indicateur de puissance à LED pour robots de combat. Ce ne sont là que quelques-uns des exemples de pièces finies entièrement fonctionnelles produites par le biais de l'impression 3D industrielle, également désignée par les termes « fabrication additive », venant ainsi à bout de toute réputation possible selon laquelle il s'agit d'un processus de fabrication « exclusivement réservé aux prototypes ».

Quelques règles de base

Chacun sait que l'impression 3D est une méthode excellente pour produire des prototypes destinés à une étude de concept ou à des tests de forme/ajustement/fonction, mais les exemples fournis ici démontrent qu'il s'agit d'une méthode de production de pièces « réelles » de plus en plus populaire. Ceci est particulièrement vrai lorsque les quantités traitées sont si petites que réaliser des pièces coulées ou moulées n'est pas rentable, ou quand la complexité de la pièce empêche de faire appel à des procédés tels que l'usinage. Avant de commencer à travailler sur votre prochain dispositif médical ou composant pour l'aéronautique, veuillez toutefois tenir compte de ce qui suit :

Technologie: Proto Labs utilise trois procédés de fabrication additive différents : le frittage laser direct de métal (DMLS), le frittage sélectif par laser (SLS) et la stéréolithographie (SL). De par sa capacité à réaliser des pièces en métal dense à la demande, le procédé DMLS est une option qui a fait ses preuves pour les applications finales, bien que la technologie SLS soit souvent une excellente solution pour les petites séries de composants finis en plastique. La stéréolithographie a toujours constitué un processus centré sur les prototypes, même s'il existe des technologies de revêtement secondaire permettant d'accroître la durabilité des pièces à base de résine réalisées par procédé SL.

3D-printed parts
L'impression 3D est adaptée à la production de formes organiques telles que cette turbine en nylon (à gauche) et à celle de pièces de production finies telles que ce composant de foreuse médicale en titane (à droite).

Sélection des matières: La vingtaine de résines et poudres imprimables en 3D disponibles dans l'offre Proto Labs répond à nombre des exigences mécaniques et électriques associées actuellement aux pièces, et la plupart conviennent à une utilisation à long terme. Du cobalt-chrome au nylon chargé verre, des pièces finies variées peuvent être fabriquées selon des quantités rentables, en offrant une précision suffisante pour concurrencer l'usinage et le moulage par injection.

Critères de conception: Dans de nombreux cas, les différences entre la conception d'un prototype et une pièce destinée à assurer des années de service sont limitées. Ce qui importe le plus concerne le fait que les concepteurs de produits et les ingénieurs reconnaissent le potentiel de l'impression 3D en vue d'une telle utilisation. La capacité de réaliser des formes organiques et des constructions en treillis complexes ouvrent des portes qui seraient autrement fermées à la fabrication traditionnelle.

Décisions liées au DMLS

Commençons par l'une des première questions de base associées à la conception d'une pièce finie : doit-elle être en métal ou en plastique ? La réponse détermine le procédé utilisé pour construire vos pièces et les propriétés des matières qui en découlent. Si des pièces en métal sont nécessaires, la technologie DMLS s'impose comme étant le choix logique (et également seul choix possible). La technologie DMLS produit plusieurs métaux compatibles avec les applications médicales et de l'aéronautique qui comprennent l'acier inoxydable, l'aluminium et le titane, entre autres.

À en juger par la façon dont elle est acceptée au sein de GE et d'Airbus, les préoccupations de réglementation associées aux poudres métal utilisées pour produire des pièces à l'aide de la technologie DMLS ne constituent plus des contraintes comme par le passé. Toutefois, la validation des matières continue de constituer un facteur dans toute commercialisation de produit, notamment en ce qui concerne les composants de l'industrie aérospatiale et les produits médicaux destinés à une utilisation dans le corps humain.

Proto Labs travaillera en collaboration avec les clients afin de développer un plan de qualité qui soit compatible avec un plus grand niveau de contrôle lors du traitement de leurs pièces produites par DMLS. Ceci peut comprendre un traitement en fonction de spécifications du secteur concerné ou du client et inclut la fourniture de documentations et d'éprouvettes si nécessaire. Ces éprouvettes peuvent être réalisées et envoyées à un laboratoire afin d'être validées longtemps avant le lancement d'un produit, ou elles peuvent être réalisées en même temps que les pièces elles-mêmes durant l'élaboration de la production, en vue d'essais ultérieurs. Ce choix vous revient.

Support structures help prevent warp
Les structures de support permettent d'éviter le gauchissement et les ondulations sur les pièces réalisées au moyen des technologies SL et DMLS durant le procédé d'impression 3D.

Si le métal est adapté aux pièces finies, cela ne signifie toutefois pas que la technologie DMLS est le procédé adéquat pour les réaliser. Le procédé DMLS fait appel à un laser très puissant pour faire fondre des particules en métal selon une couche très fine à la fois. Du fait de la chaleur extrême utilisée, le gauchissement et les ondulations doivent être contrôlés à l'aide de structures de support assimilables à des échafaudages, lesquels doivent être retirés une fois la construction effectuée. Les délais et les efforts supplémentaires nécessaires dès lors font du procédé DMLS une solution plus rentable pour les pièces en métal plus complexes qui ne peuvent être réalisées à l'aide d'un autre procédé, par exemple l'usinage, ou encore lorsqu'il existe d'importantes opportunités de simplifier l'assemblage. C'est le cas de l'injecteur de GE dont le nombre de pièces du montage d'origine est passé de 20 pièces distinctes à une seule pièce imprimée par procédé DMLS.

Sélection de la technologie SLS

Si la technologie DMLS occupe la première place en matière de pièces finies de petites séries, le procédé SLS vient immédiatement en deuxième position. Du point de vue de la technologie, il est très semblable au procédé DMLS. Tous deux utilisent un laser pour fondre des couches de matière dans un lit de poudre. Le plastique nécessite une intensité énergétique moins importante que le métal pour fondre, des structures de support n'étant pas nécessaires avec le procédé SLS. Il est ainsi plus facile d'utiliser le volume total de la chambre de fabrication, ce qui simplifie la préparation de la pièce et le post-traitement, d'où une réduction des coûts. Le procédé SLS est limité aux plastiques de la famille des nylons, bien que des matières en verre et fibres de verre soient également disponibles. À la différence de la technologie DMLS, le procédé SLS est proposé en une seule résolution, selon une épaisseur de couche de 0,1 mm. Consultez le site protolabs.fr pour plus d'informations.

Autres critères SLS

Nombre de clients optent pour le nylon non chargé lorsqu'une plus grande « élasticité » est nécessaire au niveau de la pièce finie (le dossier d'un siège, par exemple), tandis que la matière chargée s'impose comme choix plus judicieux dans les engrenages, les poulies et autres applications mécaniques. Le nylon peut être stérilisé par autoclavage, aussi est-il souvent utilisé pour des pièces médicales telles que les poignées d'instruments et les boîtiers de dispositifs. Mais il est également « hydroscopique » (c.-à-d. qu'il absorbe l'humidité) et légèrement poreux, son utilisation devenant moins pertinente en présence d'une forte humidité.

Le plastique se gauchit, et le nylon n'y fait pas exception. Les mêmes pratiques de conception qui augmentent la stabilité et la précision dans les pièces moulées par injection - épaisseur uniforme des parois, nervurage sur d'importantes surfaces planes, etc. - améliorent également la qualité des pièces réalisées par procédé SLS. Le nylon est largement utilisé pour les pièces moulées par injection, la technologie SLS étant dès lors une excellente solution provisoire pour les clients attendant la livraison d'un outil de production ou dans le cas où investir dans un tel outil ne serait pas indiqué.

La stéréolithographie (SL) a encore de beaux jours

Si le procédé DMLS est le petit dernier en matière de technologie additive, la stéréolithographie est résolument son aîné. Premier roi incontesté du prototypage rapide, la SL produit des pièces d'une grande précision et très détaillées, bien qu'elle soit généralement ignorée pour les pièces finies. Cela tient au fait que la résine photodurcissable utilisée avec la SL produit des réactions insatisfaisantes à une exposition à long terme à la lumière UV, d'où une dégradation subséquente de la matière et un mouvement de la pièce. Toutefois, une fois ces mêmes pièces soumise au procédé SLArmor, technique proposée par Proto Labs et qui permet de les recouvrir d'une légère couche de métal par galvanoplastie, elles sont dures comme de la pierre et d'une stabilité capable de durer des années.

Quelle que soit la méthode utilisée, il importe surtout de retenir que dans le cadre de tout projet d'impression 3D, la complexité est gratuite. Ceci donne lieu à des possibilités infinies d'amélioration de produit. Allègement, simplification de l'assemblage, réduction des coûts de fabrication, la liste des avantages est longue. À mesure que les concepteurs continuent d'explorer l'impression 3D, un nombre sans cesse grandissant d'applications finales sera découvert, entraînant ainsi une croissance supplémentaire de l'impression 3D et de ses capacités.

Si vous souhaitez en savoir davantage sur les avantages des procédés SL, SLS et DMLS, téléchargez notre livre blanc consacré aux « Technologies d'impression 3D pour le prototypage et la production ». Et si vous cherchez actuellement à obtenir de petites quantités de pièces fonctionnelles destinées à une utilisation finale, l'impression 3D pourrait être la solution. Contactez Proto Labs à l'adresse customerservice@protolabs.fr afin de discuter des possibilités qui s'offrent à vous ou téléchargez simplement un modèle de CAD 3D à l'adresse protolabs.fr pour obtenir un devis instantané.

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