Guide de conception d'impression 3D

Comment fonctionne l'impression 3D?

Chaque imprimante 3D fabrique des pièces selon le même principe: un modèle numérique est transformé en un objet physique tridimensionnel en ajoutant du matériau une couche à la fois. C'est de là que vient le terme alternatif de fabrication additive.

L'impression 3D est une manière fondamentalement différente de produire des pièces par rapport à l'impression soustractive traditionnelle (Usinage CNC ) ou formative (Moulage par injection ) technologies de fabrication.

En impression 3D, aucun outil spécial n'est requis (par exemple, un outil de coupe avec une certaine géométrie ou un moule). Au lieu de cela, la pièce est fabriquée directement sur la plate-forme construite couche par couche, ce qui conduit à un ensemble unique d'avantages et de limitations - plus à ce sujetau dessous de .

Le processus commence toujours par un modèle 3D numérique - le plan de l'objet physique. Ce modèle est découpé par le logiciel de l'imprimante en couches minces et bidimensionnelles, puis transformé en un ensemble d'instructions en langage machine (code G) que l'imprimante doit exécuter.

À partir de là, le fonctionnement d'une imprimante 3D varie selon le processus. Par exemple, bureauImprimantes FDM faites fondre des filaments de plastique et déposez-les sur la plate-forme d'impression à l'aide d'une buse (comme un pistolet à colle de haute précision contrôlé par ordinateur). GrandSLS industriel les machines utilisent un laser pour fondre (ou fritter) de fines couches de poudres métalliques ou plastiques.

Les matériaux disponibles varient également selon le procédé.Plastiques sont de loin les plus courants, maisles métaux peut également être imprimé en 3D. Les pièces produites peuvent également avoir une large gamme de propriétés physiques spécifiques, allant des objets optiquement clairs aux objets de type caoutchouc.

Selon la taille de la pièce et le type d'imprimante, une impression prend généralement environ 4 à 18 heures. Les pièces imprimées en 3D sont rarement prêtes à l'emploi hors de la machine. Ils nécessitent souvent un certain post-traitement pour atteindre le niveau de finition de surface souhaité. Ces étapes demandent du temps et des efforts (généralement manuels) supplémentaires.

Une brève histoire de l'impression 3D

•L'auteur de science-fiction, , a été le premier à décrire les fonctions de base d'une imprimante 3D en 1964.

•La première imprimante 3D a été lancée en 1987 par Chuck Hull de 3D Systems et elle utilisait la «stéréolithographie» (SLA ) processus.

•Dans les années 90 et 00, d'autres technologies d'impression 3D ont été lancées, notammentFDMpar Stratasys etSLS par 3D Systems. Ces imprimantes étaient chères et principalement utilisées pour le prototypage industriel.

•En 2009, leComité ASTM F42 a publié un document contenant la terminologie standard sur la fabrication additive. Cela a établi l'impression 3D comme une technologie de fabrication industrielle.

•La même année, les brevets sur FDM ont expiré et les premières imprimantes 3D de bureau à bas prix sont nées par leProjet RepRap .Ce qui coûtait autrefois 200 000 $ est soudainement devenu disponible pour moins de 2 000 $.

•Selon Wohlers l'adoption de l'impression 3D ne cesse de croître: plus d'un million d'imprimantes 3D de bureau ont été vendues dans le monde entre 2015 et 2017 et les ventes d'imprimantes métalliques industrielles ont presque doublé en 2017 par rapport à l'année précédente.

Impression 3D: au-delà du battage médiatique

Alors, où est l'impression 3D aujourd'hui? Le battage médiatique est-il terminé? Bien,peut être mais...

Le battage médiatique des années précédentes reposait sur l'idée d'une adoption généralisée par les consommateurs. C'était (et c'est toujours) une interprétation trompeuse de l'endroit où la technologie ajoute réellement de la valeur.

L'impression 3D a aujourd'hui trouvé des rôles très spécifiques dans le monde de la fabrication. Les attentes démesurées des années précédentes ont fait place à une productivité accrue. De nombreux aspects de la technologie sont maintenant courants et adoptés par les professionnels et les amateurs.

Bien entendu, l'impression 3D est une technologie en constante évolution. Chaque année, de nouvelles imprimantes 3D sont lancées et peuvent avoir un impact significatif sur l'industrie. Par exemple, HP a lancé son premier système d'impression 3D relativement tard (en 2016), mais il s'est avéré être l'un desimprimantes 3D industrielles les plus populaires déjà en 2017.

Avantages et limites de l'impression 3D

Il est important de comprendre que l'impression 3D est unen développement rapide La technologie. Il présente un ensemble unique d'avantages, mais est également en retard par rapport à la fabrication traditionnelle à certains égards.

Nous résumons ici les avantages et les limites les plus importants de l'impression 3D, en tenant compte des avantages et des inconvénients de toutes les technologies d'impression 3D actuellement disponibles. Utilisez-les pour comprendre où en est l'impression 3D aujourd'hui et où elle se dirige dans un proche avenir.

•Complexité géométrique sans frais supplémentaires

L'impression 3D permet de fabriquer facilement des formes complexes, dont beaucoup ne peuvent être produites par aucune autre méthode de fabrication.

La nature additive de la technologie signifie que la complexité géométrique ne coûte pas plus cher. Les pièces à géométrie complexe ou organique optimisées pour la performance coûtent autant à l'impression 3D que des pièces plus simples conçues pour la fabrication traditionnelle (et parfois même moins chères car moins de matière est utilisée).

•Coûts de démarrage très bas

Dans la fabrication formative (pensezMoulage par injection et Metal Casting), chaque pièce nécessite un moule unique. Ces outils personnalisés ont un prix élevé (de milliers à des centaines de milliers chacun). Pour récupérer ces coûts, des pièces identiques par milliers sont fabriquées.

Étant donné que l'impression 3D ne nécessite aucun outillage spécialisé, il n'y a pratiquement pas de frais de démarrage. Le coût d'une pièce imprimée en 3D dépend uniquement de la quantité de matériau utilisé, du temps qu'il a fallu à la machine pour l'imprimer et du post-traitement - le cas échéant - nécessaire pour obtenir la finition souhaitée.

•Personnalisation de chaque pièce

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi nous achetons nos vêtements dans des tailles standardisées? Pour les raisons que nous venons de mentionner, avec la fabrication traditionnelle, il est tout simplement moins cher de fabriquer et de vendre des produits identiques au consommateur.

L'impression 3D permet cependant une personnalisation facile. Les coûts de démarrage étant si bas, il suffit de changer le modèle numérique 3D pour créer une pièce personnalisée. Le résultat? Chaque article peut être personnalisé pour répondre aux besoins spécifiques d'un utilisateur sans impact sur les coûts de fabrication.

•Prototypage à faible coût avec un délai d'exécution très rapide

L'une des principales utilisations de l'impression 3D aujourd'hui est le prototypage - à la fois pour la forme et la fonction. Cela se fait à une fraction du coût des autres processus et à des vitesses avec lesquelles aucune autre technologie de fabrication ne peut rivaliser:

Les pièces imprimées sur une imprimante 3D de bureau sont généralement prêtes du jour au lendemain et les commandes passées à un service professionnel avec de grandes machines industrielles sont prêtes à être livrées en 2 à 5 jours.

La rapidité du prototypage accélère considérablement le cycle de conception (conception, test, amélioration, re-conception). Les produits qui nécessiteraient plus de 8 mois de développement peuvent désormais être prêts en seulement 8 à 10 semaines.

•Large gamme de matériaux (spécialisés)

Le plus courantMatériaux d'impression 3D les plastiques sont aujourd'hui utilisés. L'impression 3D métal trouve également un nombre croissant d'applications industrielles.

La palette d'impression 3D comprend également des matériaux spéciaux avecPropriétés adapté pour des applications spécifiques. Les pièces imprimées en 3D d'aujourd'hui peuvent avoir une résistance à la chaleur élevée, une résistance ou une rigidité élevée et même être biocompatibles.

Les composites sont également courants dans l'impression 3D. Les matériaux peuvent être remplis de particules de métal, de céramique, de bois ou de carbone, ourenforcé de fibres de carbone . Il en résulte des pièces aux propriétés uniques adaptées à des applications spécifiques.

Limitations de l'impression 3D

•Résistance inférieure et propriétés des matériaux anisotropes

Généralement, les pièces imprimées en 3D ont des propriétés physiques qui ne sont pas aussi bonnes que le matériau en vrac: puisqu'elles sont construites couche par couche, elles sont plus faibles et plus cassantes dans une direction d'environ 10% à 50%.

Pour cette raison, les pièces imprimées en plastique 3D sont le plus souvent utilisées pour des applications fonctionnelles non critiquess.DMLS et SLM Cependant, il peut produire des pièces métalliques imprimées en 3D avec d'excellentes propriétés mécaniques (souvent meilleures que le matériau en vrac).Pour cette raison, ils ont trouvé des applications dans les industries les plus exigeantes, comme l'aérospatiale.

•Moins compétitif à des volumes plus élevés

L'impression 3D ne peut pas rivaliser avec les processus de fabrication traditionnels lorsqu'il s'agit de grandes séries de production. L'absence d'outil ou de moule personnalisé signifie que les coûts de démarrage sont faibles, de sorte que des prototypes et un petit nombre de pièces identiques (jusqu'à dix) peuvent être fabriqués de manière économique. Cela signifie également que le prix unitaire ne diminue que légèrement à des quantités plus élevées, de sorte que les économies d'échelle ne peuvent pas intervenir.

Dans la plupart des cas, ce tournant se situe à environ 100 unités, selon le matériau, le processus d'impression 3D et la conception de la pièce. Après cela, d'autres technologies, comme l'usinage CNC et le moulage par injection, sont plus rentables.

•Précision et tolérances limitées

La précision des pièces imprimées en 3D dépend du processus et de l'étalonnage de la machine. En règle générale, les pièces imprimées sur une imprimante 3D FDM de bureau ont la précision la plus faible et seront imprimées avec des tolérances de ± 0,5 mm. Cela signifie que si vous concevez un trou d'un diamètre de 10 mm, son diamètre réel après l'impression sera compris entre 9,5 mm et 10,5 mm.

D'autres processus d'impression 3D offrent une plus grande précision. Les imprimantes à jet de matériau industriel et SLA, par exemple, sont capables de produire des pièces jusqu'à ± 0,01 mm. Cependant, il est important de garder à l'esprit que ces résultats ne peuvent être obtenus qu'après optimisation de fonctionnalités spécifiques dans une pièce bien conçue.

Les pièces métalliques imprimées en 3D pour les applications critiques sont souvent finies via un usinage CNC ou un autre processus après l'impression, afin d'améliorer leurs tolérances et la finition de surface.

•Suppression du post-traitement et du support

Les pièces imprimées sont rarement prêtes à être utilisées hors de l'imprimante. Ils nécessitent généralement un ou plusieursétapes de post-traitement .

Par exemple, la suppression du support est nécessaire dans la plupart des processus d'impression 3D. Les imprimantes 3D ne peuvent pas ajouter de matière sur l'air mince, doncles soutiens sont des structures imprimées avec la pièce pour ajouter du matériau sous un surplomb ou pour ancrer la pièce imprimée sur la plate-forme de fabrication.

Lorsqu'ils sont retirés, ils laissent souvent des marques ou des imperfections sur la surface de la pièce avec laquelle ils sont entrés en contact. Ces zones nécessitent des opérations supplémentaires (ponçage, lissage, peinture) pour obtenir une finition de surface de haute qualité.

Comment sélectionner le bon processus d'impression 3D

La sélection du processus d'impression 3D optimal pour une application particulière peut être difficile. Il y a souvent plus d'un processus qui conviennent et chacun d'eux offre des avantages différents, comme une plus grande précision dimensionnelle, des propriétés de matériau supérieures ou une meilleure finition de surface.

Pour cette raison, nous avons préparé des outils de prise de décision et des lignes directrices généralisées pour vous aider à sélectionner le bon processus d'impression 3D.

En règle générale, vous devez toujours tenir compte de trois éléments principaux:

•Les propriétés matérielles requises: résistance, dureté, résistance aux chocs, etc.

•Les exigences de conception fonctionnelle et visuelle: surface lisse, résistance, résistance à la chaleur, etc.

•Les capacités du processus d'impression 3D: précision, volume d'impression disponible, hauteur de couche, etc.

Si vous n'êtes toujours pas clair sur votre processus de pièce, contactez-nousenquiry@best-prototypes.com pour notre évaluation et recommandation.