News Mercredi 30 mars 2022 - 21:53

Suivre la qualité de ses machines de fusion sur lit de poudre polymère (SLS)

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La fabrication additive de fusion sur lit de poudre (SLS) possède ses propres spécificités. Elle nécessite un suivi attentif des machines, qui passe notamment par la fabrication d’éprouvettes. Explication !

Aujourd’hui, les entreprises qui fournissent des pièces issues de la technologie Selective Laser Sintering (SLS), de fusion sur lit de poudre, sont soumises à de fortes exigences de la part de leurs clients. D’une utilisation prototype il y a encore quelques années, la production en SLS s’oriente de plus en plus vers la série pour des utilisateurs habitués à l’injection plastique.

Suivre la qualité de ses machines de fusion sur lit de poudre polymère est essentiel. Cette surveillance des moyens de production peut répondre à plusieurs objectifs :

  • Un placement « intelligent » des pièces dans le volume de fabrication en fonction de la criticité des pièces.
  • La limitation de l’ouverture de tickets qualité dans votre système de management qualité.
  • Une meilleure connaissance de votre process vous permettant d’en étendre les limites.

Les zones stratégiques et paramétriques

La technologie SLS est une des rares technologies produisant dans un volume enveloppe en trois dimensions et non pas sur une plateforme. Une machine parfaitement réglée permet d’obtenir des résultats identiques dans tout ce volume. Dans les faits, cela est plus complexe. Si les machines industrielles les plus sophistiquées ont la capacité de tenir au mieux cette promesse, les machines dites d’« entrée de gamme » peuvent également réaliser des pièces de bonne qualité, mais peut-être pas dans l’ensemble du volume de fabrication. En ayant une bonne connaissance de vos outils de production, vous serez à même de placer les pièces les plus critiques dans la bonne zone, dite « volume stratégique », et les pièces les plus standards dans les autres zones de la machine.

Toutefois, la qualité des pièces issues d’une machine de fabrication additive sur lit de poudre (SLS) ne résulte pas uniquement des zones d’impression. Elle est souvent le fruit d’une maîtrise complète, celle d’une multitude de paramètres :

  • La gestion de la température dans la machine, que ce soit dans la chambre de fabrication ou en sortie du job et au déballage.
  • La gestion de la poudre : hygrométrie, charge électrostatique, taux de rafraîchissement.
  • Le spot laser : puissance, forme et diamètre du spot sur la poudre.
  • La fusion : la stratégie d’illumination, les vitesses de déplacement du laser.
  • Et bien d’autres.

Ainsi, nous ne pouvons que vous conseiller de fabriquer des éprouvettes pour tester et valider ces paramètres. Ceci n'est pas une perte de temps et de productivité. Cela vous permettra :

  • de qualifier toutes les pièces sans avoir à les mesurer une par une ;
  • d’améliorer l'expérience client ;
  • et de prévenir vos fournisseurs machines qu'une dérive s'amorce avant que la situation ne devienne critique.

Voici quelques conseils techniques pour imaginer et concevoir vos éprouvettes.

La résistance mécanique

La résistance mécanique est certainement l'indicateur le plus important à suivre. Ce paramètre définira la capacité de vos pièces à subir des efforts répétés. La technologie SLS est souvent choisie pour répondre à ce critère.

La position des éprouvettes dans votre volume de fabrication est essentielle ; vous devez donc bien y réfléchir. Il faut les positionner dans les zones les plus défavorables ou les plus favorables en fonction de ce que vous souhaitez caractériser.

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machine fabrication additive SLS
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Éprouvette fabrication additive haltère

Éprouvette haltère ou « bone »

Le placement dans le job

Le minimum est de réaliser, dans chaque fabrication, un jeu d'éprouvettes montées à plat. Si vous avez la place de monter une éprouvette debout, la caractérisation des pièces de votre job en sera plus efficace.

La forme normalisée dite d’« haltère » ISO 3167 est la plus courante ; à vous de la dimensionner en fonction de vos moyens de production. Vous pouvez aussi créer votre propre géométrie d’éprouvette correspondant à vos besoins.

L’essai

Après l’étape de fabrication, l’essai le plus simple à réaliser consiste à plier l'éprouvette plusieurs fois dans un local à température constante jusqu'à la rupture et à observer la casse. S’il s’agit d’une déchirure irrégulière, le matériau peut être considéré comme bien fusionné. Si la casse est franche et si les strates sont visibles dans la tranche, la fusion est imparfaite. Attention de bien vous protéger les mains et les yeux, car la casse peut être brutale, notamment avec des matériaux chargés.

L’utilisation d’un banc de traction permet de garantir une qualité de fabrication constante et peut vous rendre plus attractif. Un banc de casse pour du polymère est économiquement accessible et vous permet de certifier vos fabrications.

Analyse du résultat

Un résultat non conforme sur ce test peut provenir de plusieurs facteurs :

  • L’énergie délivrée sur la poudre par le laser est insuffisante.
  • La température de fabrication est trop faible ou mal répartie.
  • La poudre est en dehors des spécifications de fabricabilité.

La résistance des toiles

Les stratégies d’illumination sont différentes en fonction des constructeurs. De manière générale, il existe deux paramètres, l’un permettant de réaliser le contour avec une énergie donnée et l’autre permettant de réaliser le noyau à l’aide d’une autre énergie.

Lorsque la pièce est très fine, le paramètre de contour est le plus influent sur la résistance de vos parois montées verticalement. Les constructeurs machines définissent ainsi des jeux de paramètres différenciés entre les pièces minces et les pièces plus épaisses.

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Éprouvette fabrication additive

Le placement dans le job

Un bon moyen de tester vos jeux de paramètres consiste à réaliser une éprouvette ayant des toiles d’épaisseurs différentes entre le minimum que votre spot laser est en capacité de produire et une toile de 3 mm, où l’influence du contour devient négligeable.

L’anisotropie de la technologie définit une résistance moins bonne sur les toiles montées verticalement dans l’axe Z.

L’essai

La casse par fléchissement vous permettra de simuler ce qui se passe pour le clip d’une pièce.

Il faut toujours avoir à l’esprit que le résultat peut varier en fonction de la position de l’éprouvette dans le bac. À vous de déterminer les zones stratégiques de réalisation de vos pièces.

Analyse du résultat

Un résultat non conforme sur ce test peut provenir d’une énergie globale qui n’est pas suffisante pour fusionner les différentes couches entre elles.

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impression 3D resistance parois

Le diamètre du spot

Pendant de nombreuses années, les machines SLS utilisaient la technologie des miroirs de scanner ainsi qu’une lentille permettant de garantir la focalisation du laser dans le plan de fabrication X/Y.

Certains nouveaux fabricants de machines ont supprimé cette lentille, tandis que d’autres ont remplacé les miroirs de scanner par un chariot croisé quasi semblable à ceux utilisés sur les machines FDM/FFF. Ces modifications peuvent avoir une influence sur le diamètre du spot laser qui va varier en fonction de la zone illuminée : plus il sera loin du centre de la plateforme, plus le spot sera déformé. Cette déformation n’est pas obligatoirement paraxiale, d’où l’utilisation d’une éprouvette anneau permettant de détecter une déformation dans la globalité du plan X/Y.

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Éprouvette anneau impression 3D

Éprouvette anneau

Le contrôle

La mesure pourra s’effectuer au pied à coulisse sur l’épaisseur de la toile pour mesurer une éventuelle différence. L’encoche permet de déterminer la position de l’éprouvette dans le bac.

Analyse du résultat

Un résultat non conforme ne trouve pas obligatoirement de solution, mais permet de prendre en compte ce défaut pour le positionnement des pièces ou en modifiant le diamètre apparent du spot dans le logiciel de pilotage de la machine. Dans certains cas, l’intervention de votre fournisseur peut améliorer la forme du spot.

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diametre du spot fabrication additive

Les cotes XYZ

Une des particularités de la fabrication sur lit de poudre polymère est le fort retrait que les matériaux subissent entre la phase de fabrication et les pièces finies. Ce retrait a des conséquences sur les déformations des pièces, en fonction de leur orientation dans la fabrication, du temps alloué au refroidissement ou encore de l’hétérogénéité des géométries (toiles épaisses à côté de toiles minces, par exemple).

Le retrait varie en fonction du matériau, de sa charge (verre, alu, carbone), mais aussi, pour un même matériau, du lot de poudre et du renouvellement de poudre neuve. Il n’est pas rare d’avoir des retraits différents dans les trois axes. En moyenne, il tourne autour de 3 % en X/Y et est beaucoup plus faible en Z. Une même poudre peut également avoir des retraits différents sur des machines de même référence d’un parc.

Le contrôle de ce retrait par des éprouvettes de longueur dans les trois axes permet de garantir que les pièces imprimées ont bien le retrait adéquat. Il s’agit également d’un gain de temps pour valider une fabrication.

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Eprouvettes de contrôle impression 3D

Les éprouvettes de contrôle des retraits

Le placement dans le job

Une éprouvette dans chaque axe localisé où le résultat sera le plus représentatif pour vos pièces.

L’essai

La mesure pourra se faire dès la sortie des pièces afin de déterminer si la production est qualifiée.

Analyse du résultat

Cet indicateur permet d’ajuster les retraits au fil des productions. Plusieurs stratégies de prise en compte peuvent être appliquées. Il serait trop long de rentrer dans le détail dans cette fiche.

Surveillance de la température

La température de la fabrication est une des deux composantes d’apport d’énergie de transformation de la poudre avec celle délivrée par le laser. Contrairement à la fabrication métallique sur lit de poudre, où le laser amène la totalité de l’énergie de transformation, dans la technologie SLS, ce ne sont que quelques degrés complémentaires qui sont issus du laser.

La température du bac est donc primordiale. Elle est régulée par différents systèmes dont les plus sophistiqués sont composés de caméras thermiques multipoints, avec une algorithmie musclée. Si la poudre a une température trop élevée, elle peut fusionner sans l’apport du laser sur toute la surface ou localement. Sans en arriver là, une poudre trop chauffée sera dure, rendant plus complexe la phase de nettoyage. Elle « s’usera » également plus vite, obligeant à ajouter plus de poudre neuve. Une poudre trop « froide » générera l’équivalent d’un warping en FDM/FFF. Les pièces seront également fragiles et sujettes à délamination.

Aspect

Un des moyens de surveillance les plus simples consiste à observer l’aspect des pièces. Un aspect irrégulier de la « peau » est généralement synonyme d’une poudre « usée » ou d’un problème d’énergie sur le contour de la pièce.

La dégradation peut être très progressive, d’où l’intérêt de la réalisation d’une pièce référence machine neuve et réglée, permettant de visualiser de manière objective toute dérive dans le temps.

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Aspect impression 3D SLS

En conclusion

Sachez qu’il existe d’autres contrôles simples à réaliser, systématiquement ou ponctuellement, pour suivre la vie de vos machines et de vos pièces. À vous de les pondérer en fonction des ressources et du niveau d’excellence que vous souhaitez pour toujours mieux servir vos clients.

Contenu Encadré

Yannick OMNES

Yannick OMNES conseille et accompagne les différent.e.s acteurs et actrices de l’entreprise   s’approprier les technologies de fabrication additive, à adopter une autre manière de faire et de concevoir avec et pour les différentes technologies. Acteur de la fabrication additive depuis le début des années 1990, il se définit comme « un guide de haute montagne » qui amène ses clients vers leurs objectifs par les voies correspondant à leurs capacités. Il leur permet de se structurer, d'investir ou de faire appel à des prestataires en fonction de leurs besoins, à une démarche d'accompagnement du changement respectant le rythme de chacun.e pour ses appropriations. Il est également acteur de la transmission en donnant des formations et des cours pour différents organismes.

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