Comment gérer les tolérances dimensionnelles dans l'impression 3D ?

Dans cet article, nous allons aborder certaines des erreurs les plus courantes que nous rencontrons souvent chez les clients utilisant la technologie FDM et comment gérer les tolérances dimensionnelles.

L'impression 3D est un excellent outil de fabrication qui permet de produire des géométries de forme quasi nette sans opérations multiples. Pour produire des géométries complexes qui impliqueraient généralement plusieurs réglages et étapes avec les méthodes traditionnelles d'usinage ou de formage, l'impression 3D peut vous permettre de passer de l'actif numérique (CAO 3D) à la pièce finie (ou presque finie) en une seule étape. Cependant, aucune technologie de fabrication n'est parfaite pour toutes les applications. La plupart des technologies d'impression 3D disponibles dans le commerce n'offrent pas encore la précision et l'exactitude des processus d'usinage. Cela dit, comme pour toutes les autres méthodes de fabrication, il est possible de contourner les défauts dès lors que l'on comprend les limites de la technologie.

Les moyens de gérer les tolérances dimensionnelles

Résolution (hauteur de coupe) et précision

De nombreux utilisateurs se font souvent des idées fausses sur la relation entre résolution et précision. L'utilisation d'une résolution plus élevée (égale à une tranche plus fine) permet de produire des détails plus fins et une finition de surface plus lisse si le profil géométrique est principalement dans le plan vertical, mais elle n'améliore pas toujours la précision dimensionnelle. Dans une certaine mesure, l'utilisation d'une tranche plus fine permet également de réduire la largeur minimale du parcours d'outil, ce qui vous permet de placer la matière dans des espaces plus étroits sur le plan XY également - mais là encore, cela n'affecte pas la tolérance dimensionnelle dans les axes XY.

Le problème majeur est que la hauteur des géométries critiques sur l'axe Z n'est pas égale à la hauteur de la tranche. Prenons un exemple.

Nous sommes sur le point d'imprimer en 3D le boîtier électronique illustré ci-dessous. Notez les dimensions de l'axe Z de la découpe trapézoïdale sur la face avant.

Mettons maintenant ce fichier dans le trancheur et traitons-le dans deux résolutions différentes - 0,010" et 0,007". Comme vous pouvez le voir dans les comparaisons ci-dessous, le tranchage à 0,010" a donné sa forme nette sans aucune erreur. Par contre, le découpage à 0,007" (qui est la résolution la plus élevée) a fini par déplacer la position de la découpe de 0,005" vers le haut et a rendu la découpe plus haute de 0,001". La plus haute résolution n'est-elle pas la meilleure ? Non, pas dans ce cas. Ce boîtier n'a tout simplement pas été conçu pour être imprimé en 3D à une résolution de 0,007". L'option suivante serait d'imprimer à une résolution de 0,005", ce qui donnerait une forme de filet parfaite, mais c'est vraiment exagéré - le temps d'impression quadruple presque en passant de 0,010" à 0,005" sans aucun avantage fonctionnel significatif du produit final.

La leçon importante à retenir ici est que votre intention de conception doit inclure la résolution que vous souhaitez utiliser pour l'impression 3D de cette pièce. Même si vous utilisez la résolution la plus grossière à 0,013", la pièce pourrait avoir une très bonne précision si vos dimensions étaient adaptées à cette résolution. Un bon concepteur a toujours la méthode de fabrication à l'esprit.

Coutures

Un joint dans l'impression 3D est le point où le parcours d'extrusion commence et se termine. Comme le début de l'extrusion crée une petite tache au début du parcours (imaginez que vous tracez une ligne avec un pistolet à colle), la surface de la pièce se retrouvera avec une ligne de ces taches une fois la pièce terminée. Dans de nombreux cas, les logiciels de découpage tels que Insight ou GrabCAD Print parviendront à "cacher" le joint en plaçant le point de départ/fin du parcours d'outil dans un coin pointu de leur capacité à analyser les vecteurs.

Exemple d'une couture dans une pièce imprimée en 3D

Pour les caractéristiques arrondies qui ne présentent pas d'angles vifs où le joint ne peut pas être caché, cela peut poser un problème et vous mettre dans une situation difficile en termes d'adaptation de la pièce dans un assemblage. Un scénario courant est celui où la pièce comporte des trous bien ajustés pour des boulons de montage ou d'autres éléments de fixation.

Une solution facile pour résoudre ce problème consiste à ajouter un "coin" dans l'identification du trou. Si ce trou est une prise de dégagement, une légère modification ne serait pas un problème - aucun post-traitement supplémentaire n'est nécessaire.

Contournement d'une couture dans l'impression 3D pour améliorer la précision

Toutefois, s'il s'agit d'un trou destiné à recevoir un élément plus précis, comme une goupille de positionnement ou un goujon, il faudra légèrement sous-dimensionner ce trou (environ 0,015" de diamètre) et le creuser avec un alésoir pour obtenir une surface parfaite à l'intérieur du trou. L'utilisateur ne doit pas oublier d'augmenter le nombre de contours (c'est-à-dire l'épaisseur de la paroi dans GrabCAD Print) pour s'assurer qu'il y a suffisamment de matière à découper sans se rapprocher trop du remplissage de la trame.

Pour aller plus loin, l'utilisation de fonctions telles que Avoid Seam dans GrabCAD Print peut contribuer à réduire la taille du joint de manière assez efficace, mais pas à le supprimer complètement sans risquer l'intégrité de la pièce. Pour les utilisateurs des systèmes Stratasys Fortus et de la F370, l'utilisation du logiciel Insight peut encore améliorer cette situation. Tout d'abord, en utilisant des groupes personnalisés, l'utilisateur peut réduire la largeur du parcours d'outil du contour sur le diamètre intérieur. Un parcours plus étroit diminue la taille globale du joint, car la tête d'impression n'a pas besoin de compenser une éventuelle sous-extrusion autant qu'avec un parcours plus large. Deuxièmement, l'activation de la fonction Link Contours (il s'agit de la même fonction que Avoid Seam dans GC Print) permet de repousser soit le point de départ, soit le point d'arrivée du parcours d'outil. Ce n'est pas le remède miracle pour supprimer les lignes de joint, mais cela contribue certainement à la finition générale de la pièce. N'oubliez pas que la taille du joint dépend également du type de matériau utilisé. Par exemple, l'ABS a tendance à produire des joints plus larges que l'ASA (environ 30 à 50 % de différence en fonction des paramètres de fabrication et des types de machines).

Réduire les coutures dans l'impression 3D

Coins

Comme toute machine avec une charge en mouvement, l'imprimante n'aime pas les accélérations rapides. Sur une fraiseuse CNC, la vitesse de la broche peut rester relativement constante pour un parcours d'outil donné. Cependant, la question devient un peu plus compliquée pour une imprimante 3D car la vitesse de l'extrudeuse doit être précisément synchronisée avec le mouvement de la tête. Un angle aigu de 90 degrés peut créer ce que l'on peut décrire comme des "marques de broutage", car la tête essaie de monter en puissance ou de ralentir, mais l'accélération ou la décélération de l'extrusion du filament est légèrement désynchronisée. Ce problème était moins important lorsque les imprimantes 3D fonctionnaient à des vitesses beaucoup plus lentes. C'est un petit compromis que nous obtenons en doublant presque la vitesse d'impression globale avec des paramètres de construction similaires.

Marques de brouillage dues à une décélération brutale

Une bonne façon de contourner ce problème est d'ajouter des congés (R 0,100" ou plus) pour fournir l'étape intermittente pour ralentir dans un axe et l'étape pour accélérer dans un autre.

Si l'ajout d'un congé n'est pas possible en raison de restrictions géométriques, la réduction de la largeur du contour (environ 20 % par rapport au réglage par défaut) et l'espacement entre les contours de 0,001" à 0,002" permettent également de réduire les marques de broutage sur les surfaces critiques.

En outre, sur les systèmes à entraînement par courroie tels que les imprimantes Fortus 450/400/380/360 et les imprimantes de la série F, les poulies sales et les courroies usées peuvent également provoquer des claquements de surface. Gardez donc l'œil ouvert si vous n'avez pas nettoyé votre imprimante 3D depuis un certain temps. Une imprimante propre fonctionne mieux - pas de surprise !

Stress thermique

Croyez-le ou non, une grande partie de l'erreur dimensionnelle sur l'axe X ou Y des pièces imprimées avec la technologie FDM provient de la contrainte thermique du matériau due à un rétrécissement inégal. Nous avons constaté que ce phénomène est généralement insignifiant pour les pièces de taille petite à moyenne qui peuvent tenir dans une enveloppe de 6 "x6 "x6". Lorsque la pièce devient plus grande, il peut y avoir des points aléatoires qui ne se rétrécissent pas correctement, ce qui peut entraîner des pièces surdimensionnées de 0,5 %. La meilleure façon d'éviter cela est de concevoir la pièce sous forme de coquille plutôt que de bloc et de maintenir l'épaisseur de la paroi aussi uniforme que possible sur toute la pièce. Si le moulage en coquille de la pièce n'est pas possible, l'ajout d'un petit espace d'air de 0,001" entre deux trames (ou trames adjacentes) peut aider à atténuer le problème.