Avec le développement de l’impression 3D ou fabrication additive, on nous a vendu du rêve : produire facilement et rapidement des produits sans les contraintes de la production traditionnelle. Mais est-ce si simple ?
Avec le développement de l’impression 3D ou fabrication additive, on nous a vendu du rêve : produire facilement et rapidement des produits sans les contraintes de la production traditionnelle. Mais est-ce si simple ?
Il est important de reposer de quoi nous parlons exactement. Nombreuses sont les parutions autour de la fabrication additive et des imprimantes 3D. La pratique s’est fortement démocratisée, notamment par l’accès au grand public. Ici, bien que centré sur les besoins des entreprises, les principes que nous abordons ici s’appliquent également aux particuliers.
L’idée visée est de produire des objets, parfois complexes, rapidement, à coût maitrisé, éventuellement personnalisés. C’est la réactivité et la facilité de mise en œuvre qui sont recherchées. Généralement, les entreprises engagent une réflexion sur la fabrication additive pour répondre à trois besoins :
Au prime abord, l’impression 3D est très séduisante : des coûts de mise en route attractifs, des délais d’exécution réduits et des solutions de personnalisation nombreuses. Bien sûr, cette solution impose des quantités limitées, des tolérances plus larges (possibilité de reprise d’usinage si surépaisseur) et le choix de matériaux plus exigeant. Néanmoins, dans nombres de contextes, par rapport à une production traditionnelle (usinage/moule/injection…), elle reste très attractive. Nous allons voir que si cela reste vrai, ce n’est pas aussi simple qu’il y paraît. Vous verrez aussi comment un partenaire de conception peut vous accompagner pour performer.
Si la fabrication additive est une technologie en permanente et rapide évolution, l’idée est toujours la même. Réaliser des pièces complexes – ou non – à partir d’un dessin volumique informatique. Pour imprimer en 3D, finalement, vous avez besoin de :
Le procédé de fabrication part donc d’un modèle numérique qui sera ensuite transformé en objet tridimensionnel.
Si de prime abord, la fabrication additive est plus que séduisante – et c’est bien le cas – elle n’en est pas moins complexe. Cela n’est pas aussi simple qu’une impression classique. Il ne suffit pas de brancher l’imprimante, de mettre de la matière et hop le tour est joué.
Il faut certes une imprimante, mais aussi des compétences CAO, du personnel formé, des logiciels spécifiques et donc généralement les droits de licence inhérents. Et bien sûr cela prend du temps. Un partenaire conception est l’interface entre votre besoin et votre machine. Chez Hoggar Solution nous optimisons tout le process.
Maintenant les données de base posées, entrons dans le détail des différentes techniques d’impression. Nous n’allons pas faire une liste exhaustive et détaillée de tout ce qui existe sur le marché. La littérature sur le sujet est déjà très large sur le net. Nous allons plutôt présenter succinctement les procédés les plus courants.
Tout d’abord, la norme ISO/ASTM 52900 les a classés en 7 familles :
source : https://metalblog.ctif.com
Ensuite, nous considérons que 3 éléments entrent dans le choix du procédé :
C’est le plus courant car très facile à mettre en œuvre. Des filaments de plastique sont fondus et déposés sur la plateforme d’impression via la tête d’extrusion et sa buse chauffante. L’imprimante déplace la tête d’extrusion au fil des différentes couches. Une fois la couche terminée, le matériau refroidit et se solidifie.
Les opérations de post-traitement sont assez réduites et se limitent généralement au retrait des supports éventuels. Une opération de ponçage de surface peut s’avérer nécessaire.
+ Faible coût, rapidité d’exécution et applications fonctionnelles, choix varié de matériaux,
– Une précision limitée et des propriétés mécaniques anisotropes.
Dans la fusion laser sur lit de poudres, il existe différentes solutions techniques outre le SLS : DMLS, SLM ou encore MJF. Nous allons nous concentrer sur le frittage sélectif.
L’imprimante commence donc par chauffer le réservoir de matière (plastique ou métallique) puis un “rouleau” dépose une très fine couche de poudre sur le plateau d’impression. Le laser vient ensuite agglomérer les particules. Sur le plateau on retrouve donc des pièces entourées de poudres non fusionnées. Une fois le bac refroidi, les pièces retirées doivent être nettoyées voire apprêtées, poncées ou encore teintes.
+ de très bonnes propriétés mécaniques quasi isotropes, absence de supports donc facilité de nettoyage des ensembles complexes, possibilité de réaliser des séries plus conséquentes, une grande précision dimensionnelle.
– des délais plus importants, le procédé le plus cher, un aspect granuleux donc plus de porosité interne ou un post-traitement plus conséquent.
Il existe deux techniques de photopolymérisation, le SLA et le DLP. Les deux sont relativement similaires. Le principe de base est l’utilisation d’une source de lumière UV pour solidifier un polymère liquide, généralement une résine. Le SLA recourt à un laser à point unique. Tandis que le DLP utilise un projecteur de lumière numérique.
Ici, la pièce obtenue n’est pas encore prête à l’emploi. Après un premier nettoyage, elle est soumise à une lumière UV pour renforcer sa résistance. Ensuite reste encore la finition avec le retrait des supports et autres traitements de surface (ponçage, polissage, peinture, etc.).
+ Une très grande précision dimensionnelle, possibilité de créer des géométries très complexes, finition de très haute qualité, des matériaux parfois biocompatibles.
– une fragilité certaine, une dégradation constatée à l’exposition au soleil tant au niveau des propriétés mécaniques que colorimétriques, le recours systématique à des supports pouvant laisser des traces en surface.
Ce ne sont ici que les 3 procédés les plus courants. Et vous voyez déjà que chacun a ses avantages et ses inconvénients. Plusieurs procédés peuvent convenir dans un projet. Il faut donc une parfaite connaissance du besoin et des procédés existants pour choisir le plus pertinent. HOGGAR Solution s’appuie sur plus de 20 ans d’expérience dans l’utilisation de la fabrication additive pour définir la solution idéale à votre contexte.
Encore une fois nous n’allons pas détailler toutes les matières proposées sur le marché. Des nouveautés arrivent en permanence et les possibilités sont infinies. Cela étant, deux grandes familles se distinguent : les plastiques et les métaux. La première est excessivement vague et de la loin la plus courante. La seconde, bien que plus récente, est en plein essor. Notons également que les céramiques peuvent aussi être utilisées en impression 3D.
PLA : largement le plus courant, notamment parce que le moins cher. Biodégradable et parfois issu de matériaux recyclés, il s’inscrit dans la tendance “verte” du moment et soulage les consciences. De ce fait aussi, on le retrouve dans la fabrication d’emballages alimentaires. Mais attention, il est sensible à l’humidité. La température est également un point sensible à bien surveiller pour un taux d’échec relativement faible en impression 3D. Il est beaucoup utilisé en FDM.
PETG est aussi facile à imprimer et donc particulièrement courant en dépôt de fil. Son principal atout est sa résistance aux chocs, à l’humidité et aux produits chimiques.
TPU : se démarque par son élasticité du fait d’une faible dureté. Il se plie et se comprime facilement. Son homogénéité mécanique permet la fabrication de pièces particulièrement isotropes. Le pendant de sa résistance à l’abrasion, rend les procédés de post-traitement particulièrement difficiles.
Nylon ou polyamide se retrouve sous forme de filaments et de poudres. C’est pourquoi on l’utilise en SLS. Ses propriétés mécaniques l’indiquent tout spécialement pour les applications fonctionnelles. Il est également résistant à l’abrasion et aux produits chimiques. Cependant l’imprimante 3D devra être équipée d’un plateau chauffant pour pouvoir manipuler du nylon. Son stockage est aussi à surveiller car hygroscopique son impression peut vite être délicate en cas d’hygrométrie importante.
ABS : Autrefois très populaire, il est de plus en plus remplacé par e PETG. Malgré des propriétés mécaniques et thermiques très intéressantes, son odeur et les difficultés d’impression rencontrées l’ont petit à petit rendu moins séduisant.
Résines : Se retrouvent surtout en prototypage car les pièces obtenues sont assez proches de l’injection plastique notamment de par leur surface lisse et la possibilité de produire des pièces particulièrement détaillées.
PEEK : C’est un polymère aux propriétés thermomécaniques très intéressantes. Cependant il est assez difficile à imprimer. On le retrouve surtout dans les industries de pointe telles que l’aéronautique, le médical et l’automobile. Il exige des machines très performantes, du personnel spécifiquement formé et une grande expérience de la fabrication additive.
PEI est un autre thermoplastique élitiste car très spécifique et donc relativement cher. Il offre cependant de très belles performances en termes de résistance à la chaleur et même aux flammes.
Pour finir nous évoquerons les composites. Une charge plus ou moins importante est ajoutée à une matrice plastique. Il s’agit par exemple de fibres de carbone (FDM, SLS), de billes de verre (SLS) ou encore de matières organiques (biopolymères) telles que le bois ou encore le marc de café.
La fabrication additive à partir de métaux est particulièrement prisée en aéronautique, médical et automobile. Elle permet en effet la réalisation de pièces très complexes à un coût bien plus compétitif que la production traditionnelle. C’est un segment en plein essor car les opportunités sont de plus en plus nombreuses avec le développement des machines d’impression de métaux.
Acier inoxydable : particulièrement retenu pour sa facilité d’usage que ce soit en soudure, usinage et polissage. La finition de surface des pièces réalisées est un atout majeur. Il est également intéressant en résistance à la corrosion et à l’usure. Pour toutes ces raisons, il est le métal le plus utilisé en impression 3D et particulièrement dans l’industrie.
Aluminium plus particulièrement sous forme d’alliage. Son excellent rapport poids/résistance le rend spécifiquement séduisant lorsque légèreté et solidité sont des critères de performance, par exemple dans l’aéronautique. Comme en plus il dispose d’une bonne conductivité thermique et électrique et une résistance naturelle aux intempéries, il séduit de plus en plus.
Titane s’appuie sur des propriétés mécaniques intéressantes et une résistance à la corrosion notable. On le retrouve aussi dans le médical du fait de son faible poids et ses qualités biocompatibles. L’ingénierie haute performance recourt de plus en plus à ce matériaux tout comme les sports mécaniques.
Il existe bien sûr d’autres métaux utilisés en impression 3D comme le Cuivre, l’Inconel ou encore le Cobalt Chrome mais ils restent encore un peu plus anecdotiques.
Si les ressources matière de l’impression 3D offrent une multitude de possibilités et donc une grande liberté de réalisation, cela suppose aussi une parfaite connaissance des propriétés de chacune. Aussi, pour sortir la pièce qui correspond précisément à vos attentes mais aussi à vos contraintes d’utilisation, d’environnement et même économiques, HOGGAR Solution s’appuie sur une équipe formée et rompue à leur utilisation. Et dans un segment en perpétuelle évolution, ces compétences doivent être en permanence mises à jour avec l’arrivée de nouvelles solutions.
Nous voilà dans le vif du sujet. Et certainement pas l’étape la plus simple à aborder. Par contre, elle est stratégique. Nous l’avons vu précédemment, l’impression 3D consiste à produire des objets à partir d’un dessin informatique. Tout part donc du modèle numérique de votre projet. Et vous allez le voir, un accompagnement n’est pas toujours un luxe mais une garantie d’optimisation.
Vous devez donc commencer par créer le fichier volumique de l’objet à imprimer, c’est à dire le “plan” de l’objet physique. Il s’agit d’un fichier au format STL, issu d’une DEFN – DEFinition Numérique. Et vous voilà confronté à une première difficulté. En effet, pour réaliser cette étape, vous avez besoin de :
Si vous ne pouvez concevoir vous-même, les banques de données peuvent être une solution. En effet, il existe en ligne plusieurs plateformes OpenSource – ou payantes – de fichiers STL. Vous pourrez y télécharger des données à partir des ressources en ligne. Il y a par exemple thingiverse.com ou encore cults3D.com. Dans la masse de ressources disponibles sur ces plateformes de téléchargement, si vous le souhaitez, Hoggar Solution peut mener la recherche pour trouver un support pertinent.
Bien que ces bibliothèques soient particulièrement intéressantes et bien fournies, y recourir suppose que vous voulez un produit “standard”, déjà existant. Exit la personnalisation. Exit votre besoin spécifique.
C’est le format standard nécessaire à la fabrication additive. Toutes les imprimantes 3D l’utilisent. Si nous voulons être complet nous préciserons qu’il existe d’autres formats de fichiers^, comme le 3MF par exemple. Néanmoins, le STL reste pour le moment le format de référence.
Le principe de ce fichier est de modéliser sous forme de mosaïque de triangles les surfaces intérieures et extérieures de votre objet 3D solide. Evidemment, plus l’objet est complexe, plus le nombre de triangles est élevé. Il contient toutes les informations nécessaires à la production de l’objet. C’est pourquoi il est primordial de bâtir un maillage extrêmement précis. Du fait de cette précision très pointue, il est important de garder à l’esprit également qu’il est très pointu de “réparer” un fichier STL endommagé. Cela nécessite une certaine expérience et les bons outils. L’opérateur doit en effet vérifier entre autres les épaisseurs, les points d’encrage, le nombre de triangles, les trous, les écarts, les intersections, les chevauchements, etc.
Concevoir en vue d’une fabrication additive est différent de la conception “classique”. En effet, les contraintes spécifiques de l’impression 3D doivent impérativement être intégrées dès la phase de conception. Comme toujours, tout repose sur une méthodologie claire qui prend en considération votre besoin et votre environnement.
Tout d’abord, les critères essentiels à prendre en considération sont :
Il y a donc quantité de paramètres à considérer lors de la phase de conception. Mais il en est un aussi qu’il est essentiel de garder à l’esprit. L’impression 3D offre de multiples possibilités et une très grande liberté de conception. Néanmoins, si tout ou presque peut être dessiné en 3D, tout ne peut pas être produit en impression 3D. Il faut donc bien connaitre les spécificités de cette production pour ne pas se perdre.
La fabrication additive est indéniablement un atout dans nombre de cas. Elle apporte tellement de souplesse, de réactivité, de perspectives qu’elle est un véritable outil de performance. Mais on l’a vu précédemment, il n’est pas si facile de se lancer tant les données à considérer sont nombreuses. Un expert de la conception vous apporte son expérience (plus de 20 ans d’utilisation et de conception pour l’impression 3D pour Hoggar Solution). Appuyez-vous sur le retour d’expérience et sur l’expertise terrain de l’utilisation des pièces produites en impression 3D.
Hoggar Solution conçoit vos pièces en prenant en compte votre solution de production. Les process de fabrication sont adaptés aux besoins, aux caractéristiques attendues de votre pièce. Enfin, nous nous appuyons sur tout un réseau de partenaires experts dans les différentes technologies existantes.
Un partenaire de conception est l’interface pour la réalisation des fichiers CAO car il optimise selon votre contexte, vos moyens, votre fabrication. Un tel prestataire définit la technologie la plus pertinente, les matériaux les plus adaptés et réalise vos mesures et caractérisation pour une fabrication additive affinée.
Un bureau d’ingénierie comme Hoggar Solution conçoit vos fichiers à partir :
Enfin, notre rôle est de vous accompagner dans l’optimisation économique de votre projet. Cela veut dire définir sa faisabilité économique selon la complexité de la géométrie et le coût par pièce.
De nombreux éléments impactent le coût par pièce. Nous travaillons sur un large spectre pour considérer le coût le plus ajusté au vu de votre cahier des charges.
Exemple 1 : Optimiser le positioning
Dans cet exemple, sur les 2 simulations ci-dessous, vous voyez bien que selon votre stratégie de construction sur le plateau, vous allez avoir recours ou non à des supports. Sur cette pièce conique élémentaire, une simple inversion du sens de construction élimine cette complexité. Plus l’objet à produire sera élaboré, plus la réflexion va demander de l’expérience et du recul pour optimiser la fabrication additive.
Exemple 2 : Penser la conception différemment
Ici nous devons fabriquer une poulie. La figure 1 est une approche primaire de la production de cette pièce. Elle nécessite le recours aux supports. Dans le cadre de l’optimisation, votre partenaire vous proposera par exemple de couper symétriquement la pièce, la produire en double puis assembler les pièces. Plus besoin des supports. L’aspect de finition de la poulie est optimisé.
Hoggar Solution est expert en conception de produits de géométrie plus ou moins complexes et multisectoriels. Cela fait plus de 20 ans que nous travaillons avec la fabrication additive. Nous maitrisons l’intégration des éléments de design, d’ergonomie et de personnalisation. Faire appel à notre équipe de spécialistes dans votre démarche de fabrication additive, c’est prendre en considération l’ensemble de la chaîne de valeur pour développer une solution technique adaptée à vos objectifs qualitatifs, quantitatifs, financiers et économiques. Nous vous aidons à augmenter la valeur ajoutée de l’impression 3D de vos éléments.
En résumé, la fabrication additive est un formidable outil. Mais comme tout outil performant, elle requiert certaines compétences parfois pointues en amont de la production.
Elle est accessible à tous …
à condition d’avoir du temps et de la patience …
ou un partenaire expérimenté.
Alors, prenez contact dès à présent pour nous soumettre vos besoins. Une réponse vous est apportée très rapidement.
Nous sommes heureux de vous partager notre actualité : nous avons récemment rejoint ARKADIA, un… Lire la suite
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