Dans le cadre de l’impression 3D, il est souvent demandé que les ouvrages imprimés présentent un état de surface lisse, soit qu’il s’agisse d’une exigence fonctionnelle dictée par son utilisation finale ou simplement pour garantir une certaine esthétique. Les applications exigeant une texture lisse en tant que pré-requis fonctionnel incluent : les pièces mouvantes, celles devant s’emboîter, certaines surfaces en support de charges, etc… 

En dépit du fait que l’impression 3D repose généralement sur le principe d’un dépôt de couches successives, la fabrication additive n’en demeure pas moins capable de produire des surfaces à la texture relativement lisse. La finesse de la texture, cependant, dépend tout à la fois du procédé d’impression, du matériau employé, des opérations de post-usinage effectuées et de certains facteurs secondaires que nous détaillerons dans cet article.

Technologies d’impression 3D pour une surface lisse

La technologie FDM, en raison de son fonctionnement en dépôt de couches successives et du diamètre de la buse de dépôt, n’est pas toujours capable de produire des surfaces avec un rendu suffisamment lisse. Les imprimantes FDM modernes sont cependant capables d’une finesse bien plus grande.

Les technologies SLS, MJF et DMLS produisent, pour leur part, une surface beaucoup plus granuleuse, à cause de la nature poudreuse de la matière première employée. Néanmoins, quelle que soit la technologie d’impression 3D utilisée, il est toujours possible d’obtenir une texture lisse grâce aux traitements post-usinage.

Les technologies d’impression 3D capables de produire des textures lisses « tel quel » sont récapitulées ci-dessous.

Impression 3D SLA

Comparée aux autres technologies d’impression 3D, la stéréolithographie est le procédé d’impression 3D produisant les pièces avec la meilleure exactitude possible, en plus de la texture la plus lisse. Bien qu’elle repose également sur le principe du dépôt de couches successives, la matière première sous forme de résine permet de garantir la finesse du grain de surface.

Impression 3D Polyjet

Tout comme l’impression SLA, la technologie Polyjet utilise des photopolymères. En matière de ressenti ou d’apparence, la plupart des pièces issues du procédé Polyjet sont prêtes à être utilisées telles quelles, principalement en raison d’une épaisseur de couche ultra fine, couplée à la qualité hautement élevée des résines employées.

DLS de Carbon

La technologie DLS de Carbon utilise des matériaux d’impression sous forme de résine, comme le polyuréthane. L’état de surface des impressions produites avec ce procédé exhibe une texture aussi lisse que celle du verre. Cette technologie garantit la fabrication de pièces impeccables, propres à remplacer les prototypes obtenus via MJF ou SLS. En plus d’un rendu de surface incomparable, la technologie DLS de Carbon permet de reproduire parfaitement les détails internes et externes de la pièce.

Matériaux d’impression 3D pour une surface lisse

Quand il s’agit d’obtenir une surface la plus lisse possible, le choix du matériau est souvent tributaire de la technologie d’impression employée. L’influence de cette dernière est d’ailleurs typiquement prépondérante par rapport à celle du matériau. Les thermoplastiques, les résines thermo-durcissantes, les photopolymères et le polyuréthane font partie des matériaux d’impression 3D garantissant une texture lisse.

Cependant, il est de bon ton de rappeler que la finesse du grain de surface est loin d’être le critère principal pour choisir un matériau. D’autres propriétés, comme la résistance, l’endurance à la chaleur ou l’exactitude que le matériau permet d’atteindre sont aussi à prendre en considération.

Améliorer le rendu de surface grâce aux traitements post-usinage

Dans le cas de l’impression 3D, les traitements post-usinage offrent les meilleures garanties pour obtenir un grain de surface le plus lisse possible. Dans la plupart des situations, il est possible d’utiliser des traitements post-usinage pour améliorer la texture d’une pièce, et ce quels que soient les matériaux employés ou la technologie utilisée.

Les traitements utilisables en post-usinage sont légions, mais tous ne sont pas compatibles, selon les pièces considérées : leur géométrie et le matériau dont elles sont faites sont les deux facteurs principaux influençant les opérations de post-usinage possibles. Il faut aussi comprendre que les résultats, en termes de texture, seront notablement différents selon le traitement appliqué.

Microbillage

La technique du microbillage est basée sur la vaporisation, à l’aide d’un embout, d’un flux pressurisé de petites billes (en verre ou en plastique) directement sur la surface à traiter. Cela permet de retirer les rainures présentes en surface, laissant derrière une texture lisse. De plus, le produit fini exhibe alors un fini mat uniforme. Le microbillage est réalisé dans une enceinte fermée et l’utilisation de billes en plastique est plus commune pour les pièces imprimées en 3D. L’opération est compatible avec la plupart des impressions FDM et des matériaux.

Les billes de plastique sont généralement faites de particules thermoplastiques finement broyées. Leur potentiel abrasif peut varier du plus agressif au plus léger. Le bicarbonate de soude est une alternative populaire au plastique.

Par rapport au sablage, le microbillage a l’avantage de la vitesse : le procédé ne prend pas plus de 5 ou 10 minutes par pièce à traiter. La durée, cependant, est variable selon la taille de la pièce. Le microbillage a aussi l’avantage de préserver les dimensions des pièces traitées.

Polissage à la vapeur

Les dispositifs industriels de polissage à la vapeur opèrent en plusieurs étapes : d’abord, on diminue la pression au sein d’une enceinte scellée dans laquelle on dispose les pièces imprimées en 3D, puis on pompe à l’intérieur un solvant qui se répartie sur un plateau chauffé, se transformant alors en vapeur.

Un système d’aération permet de faire circuler la vapeur en question autour des pièces à traiter, ce qui va entraîner la formation de condensation sur leur surface, laquelle va fondre pour ne laisser qu’une texture lisse. Il est possible de contrôler le flux d’air et la température pour obtenir les résultats voulus et prévenir un lissage trop important.

Le procédé prend environ trois heures pour polir entièrement les pièces imprimées, quelle que soit leur quantité ou leur taille. De plus, les considérations de sécurité sont primordiales, l’enceinte pouvant être verrouillée pour permettre la dépressurisation. Le solvant inutilisé se condense au fond du réservoir et peut être réemployé ultérieurement.

Le polissage à la vapeur est compatible avec les pièces faites en ASA, en ABS ou en tout autre polystyrène choc. Cependant, le polycarbonate ou les autres polymères susceptibles de fondre sous l’action du solvant peuvent aussi être traités. L’acétone est un exemple de solvant utilisé pour le polissage à la vapeur.

On a communément recours à ce traitement pour les biens de consommation courante : il n’a pas d’impacts significatifs sur les dimensions des pièces imprimées en 3D et constitue une bonne étape préliminaire avant de leur appliquer un revêtement.

Le procédé a toutefois le désavantage d’être peu versatile : le nombre de matériaux compatibles est relativement restreint, au regard d’autres procédés comme le sablage ou le microbillage.

Polissage au tambour

Le polissage au tambour (parfois appelé tribofinition) est généralement appliqué à des pièces de taille relativement réduite. Les tambours les plus volumineux peuvent accueillir des pièces dont les dimensions avoisinent les 400 mm x 120 mm x 120 mm ou 200 mm x 200 mm x 200 mm. Le procédé est très efficace sur les pièces contenant un taux élevé de poudre métallique.

La texture des pièces métalliques peut être rendue infiniment plus lisse en à peine une heure. Le principe repose sur un baril horizontal dans lequel on a disposé la pièce et un matériau abrasif. Un moteur met le baril en rotation, provoquant des frottements continus entre l’abrasif et la pièce, ce qui va progressivement la polir.

Sablage et ponçage

Le sablage est un procédé qui consiste à retirer progressivement une fine couche de matériau en surface afin de révéler la couche inférieure, d’une texture bien plus lisse. Une surface rugueuse n’est ni plus ni moins qu’une surface présentant des aspérités localisées ça et là. Le sablage permet d’égaliser la surface de façon uniforme grâce à un abrasif grossier, typiquement du sable ou du papier de verre.

Le procédé peut être fait à la main ou à l’aide d’une ponceuse à ruban. Il est réalisé de façon progressive et très souvent associé à un polissage.

Le sablage souffre de certains défauts. En premier lieu, il s’accommode mal des géométries délicates et de taille réduite. De plus, il peut altérer les dimensions de la pièce et n’est donc pas la meilleure option quand une pièce imprimée en 3D doit satisfaire à des tolérances exigeantes. Il est nécessaire de prendre en compte la quantité de matériau à retirer par sablage directement à partir de l’étape de conception.

Comparatif des options de traitement post-usinage en impression 3D pour une surface lisse

Facteurs influençant la surface des pièces lors de leur impression

Ci-dessous se trouvent listés quelques-uns des principaux facteurs ayant un impact sur la qualité de la surface en impression 3D.

Taux d’extrusion

Ceci s’applique uniquement aux procédés d’impression impliquant de la matière extrudée, comme la technologie FDM. Dans le cas où l’imprimante se met à extruder une quantité de matière supérieure à celle nécessaire, chaque couche déposée ira « rayonner » en surface, provoquant des irrégularités. Pour pallier ce problème, il suffit d’ajuster le taux d’extrusion à un niveau correct. Attention à ne pas sombrer dans l’excès inverse (une « sous-extrusion », où la quantité de matière est inférieure à ce qui est nécessaire).

Surchauffe des matériaux

Au cours d’une impression FDM, la température de fonte des matériaux utilisés et le taux de refroidissement jouent tous deux un rôle crucial dans la qualité des textures obtenues et leur finesse. D’où l’importance d’un équilibre approprié entre l’un et l’autre. En effet, le plastique demeure malléable pendant la phase de refroidissement. Il est donc nécessaire de configurer l’imprimante à une température de fonte adaptée au matériau d’impression employé.

Ondulations

Ce défaut apparaît comme des raies à la surface de la pièce. Il se produit quand l’imprimante se déplace à une vitesse trop élevée par rapport à sa capacité à absorber les vibrations de ses composants en mouvement. On le retrouve surtout dans les impressions FDM, où la machine vibre tandis que la buse d’extrusion vient déposer le matériau.

Pour prévenir ceci, il faudra veiller à lubrifier correctement les moteurs de l’imprimante et équilibrer les pièces ayant tendance à vibrer.

Conclusion

Atteindre un degré de finesse acceptable pour une surface lisse en impression 3D dépend d’un certain nombre de critères, parmi lesquels : la technologie d’impression, les matériaux utilisés, ainsi que la méthode mise en œuvre. Dans la plupart des cas, on pourra obtenir une texture suffisamment lisse grâce à des traitements post-usinage.

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