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Comment renforcer vos pièces imprimées en 3D

Cet article résume les meilleures techniques pour renforcer les pièces fabriquées par impression 3D : améliorer la géométrie de la pièce, les paramètres d'impression ou ajouter un post-traitement.

Grâce à l’impression 3D, il est aujourd’hui possible de créer des pièces mécaniques en métal ou en polymère d’une grande solidité. Cependant, il peut arriver que certaines applications spécifiques nécessitent des pièces d’une résistance bien plus importante. Parmi les facteurs qui influencent la résistance d’une pièce imprimée en 3D, le matériau qui la compose et son  design géométrique constituent les plus importants.

Il faut toutefois garder à l’esprit que même la pièce la mieux conçue peut présenter des faiblesses à plus ou moins long terme. D’où l’importance de respecter quelques règles simples mais cruciales qui vous permettront de renforcer vos pièces fabriquée par impression 3D.

Il existe différentes techniques permettant de renforcer une pièce mécanique imprimée en 3D. Ces dernières peuvent être groupées en 3 catégories : la configuration géométrique de la pièce, les réglages du processus d’impression et donc de l’imprimante 3D et le post-traitement.

La configuration géométrique de la pièce

Le rôle de la configuration géométrique dans la résistance d’une pièce imprimée en 3D est prépondérant. L’utilisation de congés et de chanfreins permettent d’augmenter la résistance mécanique des rebords, tandis que les nervures et les goussets fournissent un support structurel.

Congés et chanfreins

Les congés et les chanfreins fournissent des fondations solides aux parties les plus fines de la pièce et évitent ainsi à la buse d’impression de cogner (voire de renverser) les parties les plus délicates au cours du processus d’impression 3D.

Exemple de concept dépourvu de congés
Exemple de concept doté de congés

Nervures et goussets

Les nervures et les goussets sont des protubérances qui saillent perpendiculairement par rapport à une paroi ou à un plan. Leur but est de fournir un support et d’augmenter la résistance de la pièce. L’épaisseur des nervures doit être égale à la moitié de l’épaisseur de la paroi à soutenir et elles doivent s’étendre jusqu’à au moins deux fois l’épaisseur de cette même paroi. Des nervures trop larges et trop élevées doivent être évitées au profit de plusieurs nervures plus modestes.

Design example with ribs

Les réglages du processus d’impression

Afin de produire les pièces les plus solides possibles, une attention particulière doit être portée aux réglages du processus d’impression 3D, parmi lesquels :

Le choix du remplissage

Dans le cadre de l’impression 3D, le remplissage désigne la quantité de matériau située à l’intérieur des parois externes de la pièce. Cette technique est largement utilisée en impression FDM afin de renforcer les pièces obtenues. Un remplissage est caractérisé par deux paramètres : le motif et la densité.

Les motifs de remplissage

Il s’agit d’une structure répétitive utilisée pour combler l’espace à l’intérieur d’une pièce imprimée en 3D. De ce  fait, elle est souvent invisible à l’œil nu. Il existe de nombreux types de motifs différents, notamment : les motifs triangulaires, rectangulaires, « archi », concentriques ou en nid d’abeille. Le motif dit « archi » est le plus indiqué pour les pièces rondes ou circulaires.

Le remplissage rectangulaire est capable de créer des pièces d’une densité proche de 100% du fait de sa structure grillagée. Le motif en nid d’abeille,  ou hexagonal, est celui dont le rapport résistance sur poids est le plus avantageux. Cependant, c’est aussi celui qui prend le plus de temps à imprimer. 

La densité du remplissage

Un remplissage dit « à 0% » désigne en réalité une absence de remplissage (la pièce sera creuse). À l’inverse, un remplissage à 100% donnera une pièce totalement pleine. Cette dernière option est aussi celle qui permet d’imprimer les pièces les plus solides. En revanche, dans la plupart des cas, cela représente une utilisation superflue de matière première qui débouche invariablement sur des coûts plus élevés et des pièces plus lourdes.

Le motif en nid d’abeille fonctionne mieux pour les densités inférieures à 50%, tandis que les motifs rectilignes sont plus indiqués pour les densités supérieures à 50%. La densité de remplissage se situe communément entre 20% et 25%.

Orientation de la pièce

Orientation des pièces imprimées en 3D

Les pièces imprimées en 3D sont les plus résistantes dans les plans parallèles à la plateforme d’impression, c’est-à-dire les plans X et Y. La raison en est que les liaisons moléculaires au sein d’une même couche sont beaucoup plus fortes que les liaisons adhésives entre les couches.

Cette technique est très utilisée dans le cadre de l’impression FDM pour accroître la résistance d’une pièce, mais elle est également valable pour d’autres technologies, comme l’impression 3D SLA ou SLS. L’orientation de la pièce est déterminée par l’endroit de la pièce où s’exerceront la charge et les forces de compression.

Épaisseur de l’enveloppe

L’épaisseur de l’enveloppe est un facteur qui joue un rôle significatif dans la solidité d’une pièce. En effet, une enveloppe plus épaisse se traduit effectivement par une pièce plus résistante. Dans le cas d’une impression FDM, une enveloppe dont l’épaisseur est trois à quatre fois supérieure au diamètre de la buse d’impression sera la plus à même de subir de lourdes charges sur des périodes prolongées.

La plupart des procédés d’impression 3D se contentent d’une épaisseur standard de 1 mm, mais une épaisseur plus grande augmentera à la fois la résistance à la traction de la pièce et sa résistance aux impacts. Nous vous suggérons de parcourir nos guides de conception pour plus d’information sur l’épaisseur recommandée en fonction du procédé d’impression utilisé.

Traitement post-traitement

L’application de certains traitements post-usinage peut permettre de renforcer encore davantage une pièce mécanique imprimée en 3D. Ci-dessous quelques suggestions :

Recuit

Le recuit consiste tout simplement à exposer une pièce imprimée en 3D à la chaleur et à la refroidir graduellement, ceci afin de diminuer le stress interne ce qui permet d’obtenir une pièce plus robuste. Le verre et les métaux sont les meilleurs candidats au recuit. En ce qui concerne les polymères, en revanche, tous ne peuvent pas subir ce traitement. Parmi ceux qui en sont capables, on peut citer le PLA, le PET et le PA 12

Galvanoplastie

La galvanoplastie est un procédé qui consiste en l’immersion d’une pièce dans une cuve remplie d’eau additionnée de sels métalliques. En faisant passer un courant électrique dans la solution, des cations métalliques vont former une fine pellicule qui va enrober la pièce immergée.

Cette technique est utilisable sur les pièces fabriquées sur des imprimantes 3D FDM, SLS, SLA ou SCM. Elle permet de conférer à la pièce traitée des propriétés mécaniques quasi-identiques à celles des pièces métalliques, ce qui constitue, dans le cadre de certaines applications, une alternative bon marché à l’impression 3D métal.

La pièce en elle-même, cependant, reste en plastique et, si exposée à des températures supérieures à sa température de fusion, se ramollira et perdra sa résistance intrinsèque (alors même que la pellicule métallique restera intacte). De nombreux types de métaux peuvent être utilisés pour la galvanoplastie : zinc, cuivre, nickel, chrome, etc… Avant de procéder au traitement, il est impératif d’apprêter la pièce afin de faire en sorte que sa surface soit conductrice, ce qui permettra au métal d’y adhérer. Le graphite est communément utilisé comme amorce.

Revêtement en résine

Une résine à base d’époxy ou de polyester peut être utilisée comme revêtement pour les pièces imprimées en 3D. Dans le cas de l’époxy, il s’agit d’un revêtement de surface non soluble, effectué avec de la peinture époxy, laquelle contient deux composés chimiques : une résine époxy et un durcisseur. La pièce traitée est habituellement plus durable et résistante qu’une pièce non traitée.

Ce genre de revêtement n’est toutefois pas adapté pour les pièces qui nécessitent une grande exactitude géométrique ou des extrémités pointues. Les résines polyester, en revanche, sont très fines et peuvent être étalées sur des pièces complexes.

Ces résines commencent à durcir environ 5 minutes après l’application et il leur faut généralement 24 heures pour sécher complètement. Les revêtements à base de résine sont applicables sur toutes les pièces imprimées en 3D, quel que soit le procédé d’impression 3D.

Renforcement à base de fibre de carbone

On peut également utiliser des fibres de verre ou des fibres de carbone pour renforcer une pièce imprimée en 3D. Les fibres de carbones ont un excellent rapport résistance sur poids et sont particulièrement bien indiquées pour les pièces destinées à supporter des charges sur des périodes prolongées.

Comparées aux fibres de carbone, les fibres de verre plient avant de se rompre. Les fibres peuvent être laminées de deux façons différentes :

  • Renforcement à base de fibres courtes

Dans le cadre de cette méthode, les fibres sont « hachées » et mélangées avec le thermoplastique afin d’améliorer sa résistance et sa rigidité.

  • Renforcement à base de fibres continues

Dans le cadre de cette méthode, les fibres sont intégrées continuellement au thermoplastique alors même qu’il est extrudé et déposé pour l’impression 3D, ce qui nécessite deux buses opérant en même temps.

Conclusion

Chez Xometry Europe, nous fournissons, sur demande, différentes options de renforcement pour vos pièces imprimées en 3D. Il vous suffit d’importer vos fichiers CAO 3D sur notre plateforme de devis instantané pour obtenir un devis sous 48h et voilà : votre pièce mécaniques imprimées en 3D et renforcée vous sera livrée en quelques jours à peine.

Si vous hésitez encore sur le procédé d’impression 3D, la matière ou encore la finition de surface à choisir, n’hésitez pas à contacter votre gestionnaire de compte ou télécharger un modèle CAO pour être rappelé.

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