Magazine Jeudi 24 mai 2018 - 22:17

De la conception au post-traitement

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La littérature industrielle a trop souvent mis de côté l’étape de post-traitement, se concentrant sur les procédés de fabrication. Celle-ci est pourtant indispensable pour l'obtention du produit fini, notamment dans la fabrication additive. A3DM Magazine s’est penché sur la question.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprises et de projets.

La fabrication additive (FA) offre notamment la possibilité de passer de la conception assistée par ordinateur (CAO) à la fabrication d’un prototype physique, servant de modèle d’essai avant la finalisation d’un projet : le passage de la phase de test à la phase de production. Cette technologie présente de nombreux avantages par rapport aux procédés traditionnels utilisés pour développer un produit. Par exemple, elle permet une implication précoce des clients dans le développement de produits ou encore la génération de formes complexes, en économisant du temps et de l’argent.  Elle permet également de produire des pièces entièrement fonctionnelles dans une large gamme de matériaux, dont les métaux, les céramiques, les polymères, mais aussi dans des matériaux composites, hybrides ou fonctionnels. Parmi ceux-ci, les polymères ont été largement utilisés, notamment grâce à l’adoption rapide des premières générations de machines, conçues principalement pour le prototypage rapide. Pour autant, la fabrication additive ne se limite pas aux polymères et aux dérivés. « Tous » les types de matériaux, y compris les métaux, les céramiques, les nanomatériaux, les produits pharmaceutiques et les matériaux d’origine biologique, peuvent être traduits en formes et structures en 3D grâce à cette technologie.

La définition du post-traitement

Le post-traitement comprend toutes les activités depuis la fin de production d’une pièce jusqu’à ce que celle-ci soit prête pour son utilisation finale. Étonnamment, la majeure partie de la littérature industrielle s’est concentrée sur les divers procédés de fabrication, laissant de côté le post-traitement, comme un détail de la chaîne de valeur. Cependant, l’expérience montre que cette étape est cruciale lorsqu’une entreprise évalue la fabrication, que ce soit en utilisant des techniques additives ou soustractives. La fabrication additive n’est pas une technologie « plug-and-play », mais une série complexe d’étapes qui nécessitent d’être considérées comme un tout.

De la matière première au post-traitement

La norme définie par l’Organisation internationale de normalisation (ISO) et la Société américaine pour les essais et les matériaux (ASTM 52900:2015) classe les processus de fabrication additive standard en sept catégories :

1. binder jetting (BJ) – projection de liant ;

2. directed energy deposition (DED) – dépôt d’énergie dirigée ;

3. material extrusion (ME) – extrusion de matériau (ME) ;

4. material jetting (MJ) – projection de matériau ;

5. powder bed fusion (PBF) – fusion de lit de poudre ;

6. sheet lamination (SL) – stratification de feuille ;

7. vat photopolymerization (VP) – photopolymérisation en cuve.

De nombreux procédés nécessitent l’utilisation de matériaux supplémentaires, en support par exemple, ainsi que des activités de post-traitement consécutives à l'impression d'une ou plusieurs pièces. En fonction des processus utilisés, mais aussi de la forme de la pièce ou encore de son utilisation, une résine non polymérisée ou de la poudre libre peuvent être utilisées en complément du matériau de la pièce. Après l’étape de production, la résine sera généralement enlevée par un solvant, ou par d’autres produits chimiques. La poudre, quant à elle, sera supprimée manuellement au pinceau ou à l’air comprimé.

Certains procédés de fabrication additive entraînent une qualité de surface et de finition médiocre, ou non conforme aux besoins, avec par exemple des rugosités de surface nécessitant des étapes de post-traitement standard telles que le meulage et le polissage. Face à des pièces de formes complexes, le travail de finition n’est pas toujours simple. Pour améliorer la qualité de la surface, plusieurs développements ont conduit à un contrôle accru des différents paramètres de fabrication additive et à l’application de différentes techniques de post-traitement sur les composants conçus par fabrication additive.

Le processus de fabrication additive métallique le plus courant est la fusion sur lit de poudre, dans laquelle une source d’énergie – un laser dans la fusion laser sélective (SLM) ou un faisceau d’électrons dans la fabrication de faisceaux d’électrons (EBM) – fritte point par point, couche par couche, jusqu’à l’obtention d’un objet. Les systèmes de fusion sur lit de poudre possèdent des mécanismes pour contrôler la source d’énergie et la distribution de la poudre. Le dépôt d’énergie dirigée (DED) et la projection de liant sont également des techniques courantes utilisées pour imprimer des objets métalliques. Dans le cas du DED, de la poudre ou une charge métallique est introduite dans une source d’énergie. Dans le cas de la projection de liant, un liquide est déposé sur un lit de poudre métallique. Une fois l’impression terminée, l’objet est traité thermiquement et fritté dans un four.

Les pièces et les supports sont généralement retirés de la chambre de construction de la machine, tandis que les matières premières non utilisées sont mises de côté pour être recyclées ou éventuellement réutilisées. Les pièces fabriquées en polymères sont, dans la majorité des cas, retirées manuellement et postvulcanisées en utilisant une lumière UV pour achever la polymérisation. L’étape suivante – et généralement finale – consiste à traiter leur surface et effectuer un travail de finition afin de parvenir au niveau souhaité, en fonction de l'utilisation prévue. En général, les prototypes n'ont pas besoin d'une finition complète, qui s'impose pour les pièces utilisées pour la production, y compris pour la production d'un petit volume de pièces.

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En raison de la nature du processus de fusion à base de poudre, ces pièces ont une finition granuleuse- poudreuse.

De la simulation de processus au post-traitement

La métrologie, la science de la mesure, est nécessaire en fabrication additive, non seulement pour affirmer la confiance dans la technologique, mais également en raison des exigences du marché en termes de performance et de fiabilité des pièces construites. Des mesures adéquates et normalisées viendront rapidement déterminer les propriétés fonctionnelles, la forme et la tolérance dimensionnelle, mais aussi la performance des produits. La métrologie est également essentielle pour contrôler et optimiser les processus de fabrication additive, réduire les coûts de production, augmenter son rendement, diminuer le rejet des pièces, améliorer l’efficacité énergétique et limiter les besoins de post-traitement.

Un logiciel de simulation peut s’avérer très utile pour modéliser l’impression, mais aussi pour optimiser les processus de fabrication additive et les rendre plus rentables, pour optimiser les pièces et prévoir les structures de support. En utilisant un outil de modélisation et de simulation, les ingénieurs peuvent prédire avec précision le comportement des matériaux, les propriétés des pièces imprimées en 3D, et ainsi intervenir pour réduire les problèmes de post-traitement. Les entreprises qui intègrent la modélisation bénéficient donc d’une amélioration de la qualité des produits finis, d'économies de coûts et de temps grâce à un ensemble normalisé de propriétés matérielles (essais et erreurs réduits) ainsi que d’une meilleure compréhension de la force et du comportement des produits.

Des procédés au post-traitement

Les imprimantes utilisant le procédé de stéréolithographie (SLA) sont capables de produire des pièces très précises, même dans de petits formats (0,3 mm, par exemple). Le plus grand inconvénient de cette technologie est qu’il est difficile voire impossible de produire des pièces de grande dimension. Lors du processus d’impression, les pièces doivent être orientées selon un angle bien précis nécessitant, généralement, des supports. Ces derniers laissent souvent des surfaces irrégulières et des marques sur les pièces. Heureusement, les résines SLA sont faciles à travailler en post-traitement, que ce soit pour enlever les supports, poncer les pièces, etc. Lors de la phase de finition, le produit peut également être traité avec une huile minérale ou une peinture acrylique par pulvérisation.

La technologie par dépôt de matière fondue (FDM) est la plus adaptée au prototypage, notamment grâce à sa vitesse de fabrication et à son prix. Les couches d’impression sont cependant visibles après l’impression, ce qui rend presque obligatoire le travail de post-traitement, pour obtenir une surface lisse. Cette technologie nécessite aussi certaines méthodes de post-traitement afin de renforcer les impressions et d’atténuer le comportement anisotrope des pièces FDM. Dans le travail de post-traitement de pièces produites par dépôt de matière fondue, la suppression du ou des supports est généralement la première étape. Le retrait du support nécessite généralement peu d’effort, même si certaines zones sont difficiles à atteindre, comme des trous ou des creux. Des structures de support bien placées et une orientation d’impression appropriée peuvent réduire considérablement les défauts d'ordre esthétique. Les supports dissolvables, généralement imprimés en HIPS (polystyrène à impact élevé, souvent associé à l’ABS), en PVA (alcool polyvinylique, associé au PLA) et en HydroFill, sont retirés en plaçant la pièce dans un bain du solvant approprié. Les pièces imprimées par frittage sélectif laser (SLS – Selective Laser Sintering) ou fusion sélective par laser (SLM – Selective Laser Melting) possèdent un haut niveau de précision, une bonne résistance, et fonctionnent souvent comme des pièces finies. En raison de la nature du processus de fusion à base de poudre, ces pièces ont une finition granuleuse-poudreuse. Le post-traitement est donc une pratique courante, avec toute une gamme de techniques et de finitions disponibles. Des revêtements sont régulièrement ajoutés aux pièces pour améliorer leurs performances. En outre, un revêtement fonctionnel peut aider à compenser le manque de qualité de la pièce. Après l’étape de fabrication, la poudre doit être retirée de la pièce avec de l’air comprimé. La surface est ensuite nettoyée par grenaillage pour enlever toute poudre non frittée en contact avec la surface. Cette finition est intrinsèquement rugueuse, semblable à l'effet d'un papier de verre au grain moyen (finition mate, satinée, légèrement granuleuse). Elle est aussi la meilleure préparation de surface pour la peinture ou le laquage. Cependant, pour une texture de surface plus lisse, les pièces en nylon SLS peuvent être polies dans des goupilles ou des vibro-machines. Un gobelet contenant de petites particules de céramique qui vibrent contre l’objet peut graduellement éroder la surface extérieure jusqu’à une finition polie. Une autre méthode – plus économique – consiste à utiliser un procédé de teinture, car la porosité des pièces SLS les rend idéales pour la teinture. La pièce est alors immergée dans un bain de couleur chaude. L’immersion assure une couverture complète de toutes les surfaces internes et externes. Enfin, les pièces peuvent être peintes par pulvérisation et/ou revêtues d’une laque. Avec le laquage, il est possible d’obtenir différentes finitions, telles qu’un effet brillant élevé ou un brillant métallique. Les revêtements de laque peuvent améliorer la résistance à l'usure, la dureté de la surface, l'étanchéité à l'eau et limiter les marques et les bavures sur la surface de la pièce. Il a été démontré que les silicones et les acryliques vinyles donnent les meilleurs résultats. Le polyuréthane (PU) n’est pas recommandé pour l’étanchéité des pièces en SLS. Les pièces en SLS peuvent également être galvanisées. De l’acier inoxydable, du cuivre, du nickel, de l’or ou du chrome peuvent être déposés sur la surface des pièces pour augmenter la résistance et/ou la conductivité électrique dans les applications de blindage. Les pièces sont nettoyées puis une couche conductrice de matériau est appliquée sur la surface. Les pièces passent ensuite par des procédures de revêtement de métal traditionnelles.

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Problèmes et travaux de post-traitement

Finition de surface

Avant qu’une pièce métallique imprimée en 3D ne soit prête à être utilisée, elle a déjà subi un travail de post-traitement important sous forme d’usinage CNC, de grenaillage ou de sablage. Le processus de fabrication additive métallique n’est ni simple, ni linéaire.

En raison de sa nature même, le processus de matière sous flux d'énergie dirigé (DED) produit généralement des pièces devant être usinées en CNC pour répondre aux spécifications d'un produit fini, à la différence des pièces fabriquées par fusion sur lit de poudre, dont la forme est proche du résultat final. La finition de surface reste cependant rugueuse. Pour éviter ce problème, il est possible d'utiliser des particules de poudre plus fines et des épaisseurs de couche plus minces, mais cela peut entraîner une augmentation des coûts de matériau. Des choix doivent donc souvent être fait... Dans la mesure où toutes les pièces fabriquées par fusion sur lit de poudre seront raffinées selon les spécifications exigées et que la finition de surface est une étape simple et maîtrisée, il est parfois plus économique d'utiliser des tailles de particules légèrement plus grandes.

Porosité

La porosité se produit lorsque de très petites cavités se forment dans le corps d’une pièce au moment de l’impression. Elle peut être causée par le processus d’impression 3D lui-même ou par le matériau et la poudre utilisés. Ces trous microscopiques réduisent la densité globale de la pièce et peuvent entraîner des fissures. Il est possible que, pendant le processus d’atomisation de la poudre, des poches de gaz se forment à l’intérieur de la charge de poudre, qui sera ensuite transférée à la pièce finale. Les pores sont généralement causés par le processus d'impression 3D lui-même, notamment lorsque l'intensité du laser est trop faible, les particules ne pouvant alors pas fondre correctement. À l’inverse, lorsque la puissance du laser est trop élevée, il se produit un phénomène connu sous le nom d’« éjection de projections », dans lequel le métal fondu s’échappe du bain de fusion et pénètre dans les zones adjacentes. Des pores peuvent également se former lorsque les particules de poudre sont plus grandes que l’épaisseur de couche, si la poudre est trop lâche, ou encore si le métal fondu ne s’écoule pas de manière adéquate dans la zone de fusion désirée.

Pour résoudre ces problèmes, les opérateurs doivent impérativement syntoniser leurs machines pour chaque travail d'impression. Les paramètres de la machine, tels que la puissance, la taille du point et la forme du spot d'un laser, doivent être modifiés en fonction de chaque matériau. Enfin, dans les procédés de fusion sur lit de poudre, la porosité peut être réduite par l'utilisation d'un modèle de « balayage d'îlot », employé par le laser.

Densité

La porosité d’une pièce est inversement proportionnelle à sa densité. Plus une pièce a des pores, moins elle est dense et plus elle est susceptible de subir une fatigue ou de se fissurer sous pression. Pour les applications critiques, une densité supérieure à 99 % est requise. Au-delà du contrôle de la porosité par les méthodes mentionnées ci-dessus, la distribution granulométrique peut aider à augmenter la densité d'une pièce imprimée, en plus d'améliorer la coulabilité de la poudre. En outre, une distribution granulométrique plus large permet aux particules fines de remplir les espaces entre les particules plus grosses, ce qui permet d’obtenir une densité plus élevée. Il est toutefois à noter que ce procédé peut diminuer la fluidité de la poudre, fluidité qui est nécessaire pour assurer une couche de poudre à la fois dense et uniforme, et qui affecte tant la porosité que la densité d'une pièce imprimée en 3D. Plus une couche est serrée, plus l’objet final sera dense et moins il sera poreux.

Stress résiduel

La contrainte résiduelle est le résultat du chauffage et du refroidissement, de l’expansion et de la contraction, qui se produit pendant le processus de fabrication additive métallique. Lorsque la contrainte résiduelle dépasse la résistance à la traction du matériau d’impression ou du substrat, des défauts, tels qu’une fissure dans la pièce ou un gauchissement du substrat, peuvent se produire. La contrainte résiduelle est à sa plus forte concentration à l’interface située entre la partie imprimée et le substrat. Le stress est plus compressif au centre de la pièce imprimée et la traction plus importante au bord de la construction. Des structures de support sont mises en oeuvre pour réduire une partie de la contrainte résiduelle nécessitant une température plus élevée que le substrat seul. Une fois la pièce imprimée, la contrainte résiduelle est supprimée. Cette étape pouvant entraîner une déformation de la pièce, une autre méthode est envisageable pour réduire la contrainte résiduelle : le traitement thermique du substrat et le chauffage du matériau avant que celui-ci ne soit atteint par la source d'énergie. Le préchauffage du substrat est plus souvent utilisé avec le procédé EBM qu’avec les procédés SLM ou DED.

Fissures

Des fissures peuvent être causées lorsque le métal fondu se solidifie, ou encore si la source d'énergie est trop forte, ou encore pendant le chauffage d'une zone. Un délaminage peut également se produire, conduisant à des fissures entre les couches, si la poudre ne fond pas suffisamment ou que les couches se trouvent en dessous de la réfusion de la masse fondue. Si certaines fissures peuvent être réparées par post-traitement, ce n'est pas le cas pour celles causées par la délamination ; en revanche, il est possible de procéder au chauffage du substrat pour réduire le problème.

Gauchissement

Le gauchissement peut être défini comme une distorsion dimensionnelle dans un produit moulé après que celui-ci ait été sorti du moule, à la fin du processus de moulage par injection. Pour s’assurer que le travail d’impression commence correctement, les couches initiales sont fusionnées avec un substrat qui doit être retiré par usinage CNC, une fois l’impression terminée. Cependant, si la contrainte thermique du substrat dépasse la résistance du matériau, ce dernier commencera à se déformer, provoquant ainsi la déformation de la pièce. Afin d’éviter le gauchissement, il est nécessaire de placer des structures de support aux bons emplacements. À cet effet, et pour permettre d'effectuer les essais nécessaires, des solutions logocielles sont en cours de développement, telles que celles créées par 3DSIM.

Autres problèmes

D’autres distorsions, telles que le gonflement ou le ballottement à l’état fondu, peuvent également se produire pendant le processus de fabrication additive métallique. Le gonflement a lieu lorsque le métal solide s’élève sur la poudre. De même, des billes fondues sont créées lorsque le matériau se solidifie en une forme sphérique au lieu de couches solides. Ces phénomènes sont provoqués par des problèmes liés à la tension superficielle et peuvent être atténués en contrôlant le rapport longueur sur diamètre de la masse fondue à moins de 2 à 1.

L’exposition à l’oxygène et à l’humidité peut entraîner une modification de la composition des alliages métalliques. Par exemple, à mesure que l’oxygène augmente dans le titane Ti-6Al-4V, un métal populaire pour la fabrication additive dans les secteurs aéronautique et spatial, la teneur en aluminium peut diminuer, en particulier lorsque la poudre métallique est recyclée : les particules de poudre recyclée peuvent alors être moins sphériques et s'écouler moins correctement.

Le processus d’impression peut également entraîner des changements dans la composition des alliages métalliques. Dans un alliage métallique combinant plusieurs métaux, le point de fusion inférieur peut potentiellement s’évaporer. Dans le cas du Ti-6Al-4V, le titane a une température de fusion beaucoup plus élevée que l’aluminium, et il est possible de modifier la composition du matériau pendant le processus d’impression 3D.

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