Comment améliorer les propriétés esthétiques et mécaniques des pièces imprimées en 3D par FDM ?
Article de Stratasys Ltd. mis à jour le 21 juin 2019.
Article
La finition ajoute de la valeur à vos pièces imprimées en 3D par FDM
La technologie d'impression 3D brise les règles de la fabrication conventionnelle. Elle permet aux ingénieurs de construire des géométries complexes, de créer des pièces massives, de consolider des composants de pièces multiples et de concevoir uniquement pour la forme, l'ajustement et la fonction plutôt que pour le processus de fabrication. La finition/le post-traitement renforce ce que peut faire une imprimante 3D, en améliorant les propriétés esthétiques et mécaniques, en offrant des finitions impeccables, proches du moulage par injection, en respectant des tolérances serrées et en obtenant une durabilité et une résistance chimique accrues.
Cet article est destiné aux utilisateurs d'imprimantes FDM Stratasys ou à toute personne qui étudie les possibilités de post-traitement des pièces FDM. Il explique les principales opérations de finition disponibles pour les pièces imprimées en FDM, regroupées par objectifs et méthodes de finition.
Contenu
Lissage
Ponçage
Les pièces en plastique fabriquées par FDM peuvent être poncées à la main ou à l'aide de ponceuses orbitales pour supprimer l'effet d'escalier inhérent au processus. Les experts en finition utilisent une variété de grains pour lisser la surface selon l'esthétique souhaitée.
Matériaux et applications
Le ponçage est la forme de finition la plus courante pour les pièces produites avec FDM car c'est un moyen simple d'éliminer les lignes des couches sans affecter les propriétés mécaniques. Les finisseurs doivent également poncer les pièces avant d'appliquer des revêtements, tels que l'apprêt, la peinture ou le placage, afin de garantir une finition de surface lisse. Tous les matériaux FDM peuvent être poncés dans une certaine mesure, mais consultez un ingénieur de projet de fabrication additive pour trouver le meilleur grain pour votre application.
Directives de conception
En fonction de la quantité de matériau qui sera enlevée par ponçage, il peut être nécessaire d'ajuster la conception de la pièce pour inclure un matériau supplémentaire. N'oubliez pas non plus qu'il est difficile d'atteindre les petites contre-dépouilles, les surplombs et les trous, et que vous devrez peut-être mettre en œuvre une autre méthode de lissage.
Lissage de la vapeur
Le lissage à la vapeur permet de corriger les irrégularités de la surface des pièces fabriquées par FDM en faisant légèrement fondre la surface extérieure à l'aide d'un solvant. Une pièce est plongée dans une chambre à vapeur pendant quelques secondes, ce qui provoque la liquéfaction du plastique, puis la pièce est immédiatement plongée dans une chambre de refroidissement pour arrêter la liquéfaction. Le résultat est une pièce plus lisse et plus brillante. Le sablage, défini dans la section suivante, peut être utilisé après le lissage à la vapeur pour obtenir une finition mate qui est souvent préférable pour les opérations secondaires de filmage, de revêtement et de placage. Le lissage à la vapeur préserve également l'intégrité dimensionnelle et peut aider à éliminer la porosité inhérente des pièces FDM pour les applications de rétention de liquide ou de gaz.
Matériaux et applications
Le lissage à la vapeur est un moyen rapide d'obtenir une finition de surface de 32-63 microns sur l'ABS standard et l'ABS-M30, lorsque les coûts ou le temps interdisent les méthodes de lissage manuel plus lentes. Cette méthode est souvent choisie pour préparer la surface en vue d'une galvanisation ou d'un moulage à la cire perdue ou pour des géométries contenant des liquides, comme des bouteilles ou des lignes de refroidissement dans des moules. Cependant, après le lissage à la vapeur, la surface n'est pas complètement plate et peut nécessiter des opérations supplémentaires pour être prête à être peinte.
REMARQUE: Les thermoplastiques FDM plus résistants comme le polycarbonate (PC), le PPSF, l'ULTEM 9085 et l'ULTEM 1010 ne peuvent pas être lissés à la vapeur en raison des réactions chimiques avec les solvants.
Directives de conception
Assurez-vous que le matériau est un thermoplastique FDM à base d'ABS, car le processus peut modifier les propriétés mécaniques d'autres plastiques. Les modifications apportées à la pièce sont insignifiantes (pas plus de 0,0009 pouce/0,023 mm), il n'est donc pas nécessaire d'inclure du matériel supplémentaire. Toutefois, nous vous recommandons d'éviter les petits détails, tels que le texte ou les arêtes vives, qui pourraient être déformés par ce procédé.
Coup d'éclat médiatique
Le sablage est une alternative plus rapide que le sablage pour lisser la surface d'une pièce et c'est souvent un moyen plus facile d'atteindre les petites caractéristiques ou les canaux internes. Le sablage est effectué à l'aide d'un pistolet et d'un support plastique qui est projeté sur la surface de la pièce à une pression pouvant atteindre 30 psi.
Matériaux et applications
Le grenaillage est souvent utilisé pour enlever le lustre d'une surface lissée à la vapeur si une finition de surface mate est requise. Tous les matériaux FDM peuvent être sablés, mais nous vous recommandons de consulter un expert pour déterminer la taille du support et le niveau d'abrasivité les mieux adaptés à votre application spécifique.
Directives de conception
Bien que le décapage par médias enlève de la matière, cette opération est généralement très minime et n'affecte pas la précision dimensionnelle globale.
Finition en masse/lissage
La finition en masse est le plus souvent utilisée dans l'industrie métallurgique pour traiter et polir les pièces métalliques, mais il existe des solutions automatisées qui utilisent des méthodes vibratoires pour appliquer la même technique aux plastiques en utilisant des supports plus doux. Les pièces sont placées dans une unité vibrante remplie d'un support en céramique, en plastique, synthétique ou en épi de maïs, dans laquelle la machine tourne pendant plusieurs heures jusqu'à ce que le support brunisse la surface.
Matériaux et applications
La finition en masse est une excellente option pour la finition des matériaux FDM les plus durables, notamment le polycarbonate (PC) et les matériaux ULTEM. L'un des principaux avantages de la finition en masse est la possibilité de lisser plusieurs pièces à la fois - une bonne option pour la finition uniforme d'une production à faible volume. Un média céramique relativement agressif est généralement utilisé avec les pièces en ULTEM 9085, tandis qu'un média céramique moins agressif est utilisé avec le PC.
Directives de conception
La finition en masse donne de meilleurs résultats sur les pièces rondes, comme les conduits, avec un minimum d'arêtes vives et de coins. Il est essentiel de baser le choix du support sur votre conception. Les petites pièces nécessitent de petits supports, tandis que les pièces très détaillées ou caractéristiques nécessitent des supports de forme complexe, comme une étoile. Sachez que les descriptions des fabricants concernant la finition souhaitée, telles que "brossé" ou "satiné", décrivent des résultats pour des pièces en métal, et non en plastique. Les ingénieurs de projet choisissent les supports en fonction du matériau, de la géométrie et de la finition de surface souhaitée. De plus, la finition dans la masse lisse le matériau de la surface extérieure, enlevant 0,0015-0,003 pouces de la surface, donc selon la précision dimensionnelle requise, vous pouvez concevoir vos pièces avec des parois extérieures plus épaisses.
Respect des tolérances dimensionnelles
Usinage
L'usinage CNC est généralement utilisé pour fraiser une pièce à partir d'un bloc de matériau. Mais avec les pièces complexes fabriquées par additif, l'usinage peut fonctionner comme une opération secondaire pour atteindre des tolérances dimensionnelles très spécifiques qui ne peuvent pas être respectées par la seule impression 3D. Il est également souvent utilisé pour ajouter des filets aux inserts.
and machined to the design’s critical dimensions
Matériaux et applications
Tous les matériaux FDM peuvent être facilement usinés à l'aide d'opérations telles que le perçage, le taraudage, le sciage, le tournage et le fraisage.
Directives de conception
L'usinage ne modifie pas les propriétés mécaniques d'une pièce imprimée en 3D, mais lors de la conception de la pièce, ajustez la géométrie de la pièce pour inclure le matériau supplémentaire qui sera enlevé pendant le processus d'usinage.
Assemblage des composants
Inserts
Un large éventail d'inserts métalliques tels que des écrous, des boulons et des rondelles peuvent être implantés pendant ou après la fabrication d'une pièce avec FDM. Une approche courante consiste à utiliser un processus d'usinage pour dimensionner un trou, puis à chauffer l'insert et à le presser dans la pièce. C'est ce qu'on appelle le thermoplaquage. Le plastique chauffé s'écoule dans les molettes et les crêtes de l'insert et, en refroidissant, il se solidifie pour résister au couple et à l'arrachement.
Étant donné que le FDM fabrique des pièces couche par couche, il est également possible d'insérer du matériel pendant la fabrication. La machine est arrêtée à une certaine couche, l'insert est incorporé et la fabrication reprend à partir de ce point.
Matériaux et applications
Les inserts sont généralement ajoutés à des prototypes fonctionnels ou à des pièces d'utilisation finale pour les fixer ou les attacher à d'autres composants dans un assemblage plus large. Les thermoplastiques FDM haute performance, tels que le PPSF et l'ULTEM, résistent au point de fusion avec les inserts thermofixés, mais l'intégration d'inserts plus petits en milieu de fabrication est possible. Discuter de la manière et de l'endroit où la pièce sera utilisée avec un ingénieur de projet vous aidera à déterminer le matériau approprié pour l'insert.
Directives de conception
Vous pouvez soit inclure une cavité intégrée dans le fichier de conception pour tenir compte d'un insert, soit aléser un trou, ce qui peut être plus précis, mais aussi plus long. Si vous ajoutez du matériel pendant le processus de fabrication FDM, il y a une directive supplémentaire. La machine FDM ne peut être mise en pause que sur l'axe Z. La pièce doit donc être orientée dans le plan X/Y afin de placer l'insert dans la cavité.
Soudage à l'air chaud
Le soudage à l'air chaud vous permet de créer des pièces plus grandes que la plateforme de construction de la machine. Une conception CAO est divisée en pièces distinctes avec des joints en queue d'aronde qui sont construites sur des imprimantes 3D séparées, puis soudées ensemble après l'impression. Un outil de soudage à l'air chaud est lentement tiré le long du joint pour faire fondre le filament, qui remplit ensuite le joint. L'avantage de la soudure à l'air chaud est qu'elle n'ajoute aucun matériau étranger à la pièce - elle utilise le même modèle de thermoplastique. Par exemple, au lieu de coller le matériau ignifuge ULTEM avec de l'époxy qui pourrait être inflammable, on le colle avec de l'ULTEM, ce qui préserve les propriétés mécaniques globales de la pièce.
Matériaux et applications
Les ingénieurs utilisent le soudage pour assembler des pièces qui sont trop grandes pour être placées sur une plate-forme de construction mécanique en sectionnant la conception, en construisant des pièces séparées et en les assemblant. Le sectionnement et le soudage sont également utilisés pour gagner du temps. Les ingénieurs de projet peuvent sectionner les pièces de manière stratégique afin d'éliminer une quantité excessive de structure de support en coupant les éléments en surplomb de la pièce et en les construisant séparément.
Directives de conception
Pour de meilleurs résultats, les pièces doivent être sectionnées dans les zones non porteuses et sur les parois plus épaisses de la pièce avec des joints en queue d'aronde pour optimiser la résistance globale. Un ingénieur de projet en fabrication additive peut vous aider à décider où et comment sectionner la pièce en fonction de la géométrie, de l'optimisation de la résistance, du temps de construction et des coûts des grandes pièces.
Collage
Le collage est un autre moyen de relier plusieurs sections pour créer de grandes pièces. Les ingénieurs de projet de fabrication additive utilisent généralement des époxydes à deux composants car ils présentent une excellente résistance mécanique et sont faciles à utiliser. Les composants époxy sont mélangés, puis appliqués à l'aide de distributeurs, de brosses ou par infiltration. Le cyanoacrylate, également connu sous le nom de Super Glue, est un adhésif populaire à durcissement rapide appliqué pour des applications de collage et des réparations légères.
Matériaux et applications
Certains matériaux FDM chimiquement résistants n'adhéreront pas avec certains solvants ou colles. Consultez un ingénieur de projet de fabrication additive pour déterminer le meilleur processus d'assemblage et les produits chimiques de liaison pour le matériau de votre pièce.
Directives de conception
Voir les directives de conception pour le soudage à l'air chaud.
Revêtement
Étanchéité
Les pièces FDM sont naturellement poreuses dès leur sortie de la machine, ce qui constitue un obstacle pour contenir les gaz et les liquides. La solution consiste à sceller la pièce avec un revêtement époxy résistant à l'eau ou aux produits chimiques. Le lissage à la vapeur permet également de sceller la surface des pièces, mais il est limité à des applications ne dépassant pas la pression atmosphérique. L'époxy à deux composants appliqué au pinceau sur la surface d'une pièce génère un joint étanche à l'air et résiste à de nombreux agents chimiques. L'autre option consiste à immerger les pièces FDM dans une résine époxy et à utiliser un vide pour infiltrer l'époxy afin de créer un joint étanche et une résistance aux agents chimiques et aux températures élevées.
College of Science and Engineering’s Formula SAE vehicle
Matériaux et applications
Le revêtement époxy et l'infiltration améliorent les pièces FDM pour de nombreuses applications, du prototype à l'utilisation finale, y compris les lignes de refroidissement pour les outils de moulage, les réservoirs de carburant, les collecteurs d'admission, les conduits et plus encore. Tous les matériaux FDM sont compatibles avec l'une ou l'autre méthode et maintiennent un joint étanche jusqu'à une pression de 65 psi (448 kPa) après avoir été traités.
Directives de conception
Évitez les caractéristiques complexes et les canaux internes qui peuvent être difficiles à atteindre avec un revêtement. Si votre pièce doit respecter des tolérances dimensionnelles serrées, nous recommandons l'infiltration d'époxy qui n'affecte pas les dimensions.
Electroplacage
L'électroplacage dépose une fine couche de métal, comme le chrome, le nickel, le cuivre, l'argent ou l'or, sur la surface d'une pièce. Le revêtement électrolytique donne l'apparence du métal de production et fournit une surface dure, résistante à l'usure et dotée de propriétés réfléchissantes. Avant le placage, les pièces FDM doivent être poncées et scellées avec un procédé de lissage à la vapeur, un trempage dans un solvant ou une peinture pour faciliter l'adhésion chimique.
Matériaux et applications
Le placage est souvent appliqué pour des raisons esthétiques, mais il augmente également la résistance et la durabilité de la surface. Lors de tests, la résistance à la traction d'une barre d'essai FDM électroplaquée a été multipliée par 10-12 et les résultats des tests de flexion ont montré une augmentation de 21-24 fois. La résistance accrue fait de l'électroplacage une bonne solution pour les applications automobiles. La valeur décorative profite également aux applications d'appareils ménagers. L'ABS-M30, l'ABS et l'ABSplus ont été testés pour la galvanoplastie.
Directives de conception
Pour que le métal adhère correctement à la surface de la pièce, celle-ci doit être extrêmement lisse. Un ingénieur de projet en fabrication additive travaillera avec vous pour optimiser l'orientation de la fabrication FDM afin de minimiser les lignes de couche. Vous devrez également compenser, dans le modèle CAO, l'épaisseur supplémentaire due à la galvanisation.
Apprêt et peinture
Les pièces FDM peuvent être apprêtées et peintes pour produire des modèles conceptuels attrayants, des prototypes fonctionnels et des pièces d'utilisation finale. Avant la peinture, les pièces FDM doivent être polies avec un lissage à la vapeur, l'application d'un mastic de carrosserie et un ponçage.
Matériaux et applications
Les pièces imprimées en 3D peintes sont idéales pour les modèles de concept et d'exposition ou les applications ayant pratiquement toutes les exigences cosmétiques. Tous les matériaux FDM peuvent être peints, mais l'ABS et l'ABS-M30 nécessitent généralement le moins d'efforts de lissage.
Directives de conception
Si votre pièce est destinée à être peinte, elle doit être aussi lisse que possible, et cela commence dès la conception. Choisissez une orientation de construction qui produira une surface lisse, mais n'oubliez pas que l'orientation affecte également la résistance. Les ingénieurs de projet choisiront souvent la plus petite taille de pointe et la tranche la plus fine pour créer une surface lisse tout en maintenant la résistance. Les trous, les contre-dépouilles et les cavités doivent également être pris en considération, car ils sont difficiles à atteindre lors du ponçage, de l'apprêtage et de la peinture.
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