Le préjugé le plus tenace à l'encontre de la fabrication additive est probablement que l'impression 3D produit des composants précis, mais peu robustes et peu résistants.
Les composants en plastique conventionnels produits par usinage ou moulage par injection sont beaucoup plus fiables, peuvent résister à des forces plus élevées et, surtout, sont beaucoup plus durables que les composants issus de l'imprimante 3D. Mais qu'en est-il vraiment de ces préjugés ? La stabilité de l'impression 3D peut-elle vraiment ne pas être à la hauteur des processus conventionnels, malgré tous les progrès réalisés dans le domaine des plastiques haute performance, des matériaux renforcés de fibres ou de la liberté de conception absolue de la fabrication additive ? Nous avons examiné de plus près les préjugés les plus courants.
Il y a huit ans déjà, une thèse de l'Université technique de Darmstadt (lien externe, thèse, document pdf) abordait le thème des "procédés d'impression 3D pour des pièces moulées compactes et mécaniquement stables". Dans le cadre de cette thèse de doctorat très intéressante, les encres et poudres monomères ont été examinées en termes de fidélité de la forme, d'équilibre du volume et de comportement de rétraction. L'essentiel de la thèse de doctorat est que, dans l'impression 3D, la stabilité des pièces imprimées dépend directement des matériaux et du processus d'impression utilisés.
Plusieurs années se sont écoulées depuis la rédaction de la thèse de doctorat, au cours desquelles les plastiques hautes performances utilisés en particulier ont subi une amélioration significative en termes de robustesse et de stabilité. Les principaux moteurs de l'innovation sont ici les industries aérospatiale, aéronautique et automobile. Ces secteurs exigent des composants particulièrement stables fabriqués dans des matériaux robustes. Le polyamide, les filaments renforcés de carbone ou les fibres continues insérées permettent de développer des composants légers capables d'absorber les forces les plus fortes.
Dans le domaine de la fabrication additive, les deux procédés de frittage laser sélectif (SLS) et de fusion laser sélective (SLM) sont principalement utilisés pour la production de composants robustes. Les deux procédés fonctionnent avec le même état de matériau : la poudre. Alors que le frittage laser utilise généralement des polyamides, la fusion laser convient à l'impression 3D de métaux. Les matériaux de départ en poudre sont appliqués sur la plateforme de travail de l'imprimante 3D à l'aide d'un rouleau ou d'une raclette et chauffés point par point par un laser selon la géométrie souhaitée.
Une fois la forme souhaitée obtenue, la plateforme de travail est abaissée d'une centaine de micromètres et le processus est répété. Couche par couche, la pièce est ainsi construite du bas vers le haut du lit de poudre. D'une part, la construction couche par couche avec des couches extrêmement fines permet d'atteindre une très grande précision, et d'autre part, des densités de matériau de 99% sont possibles sans aucun problème. Cela signifie que la densité des pièces imprimées est presque identique à celle d'autres matériaux issus de la production conventionnelle. Ou pour le dire autrement : avec le bon processus d'impression, les pièces imprimées en 3D sont tout aussi stables que les composants fabriqués de manière conventionnelle dans le même matériau.
Dans la fabrication conventionnelle, chaque matériau utilisé possède des propriétés très spécifiques. L'allongement à la traction et à la rupture, la résistance à la déformation plastique ou à la séparation, ou encore la dureté d'un matériau sont prédéfinis et ne peuvent être étendus qu'aux limites naturelles. Le comportement d'une feuille d'aluminium ou d'acier peut être défini ou contrôlé par les constituants d'alliage pendant la production et le traitement réel du matériau. Les propriétés peuvent être encore optimisées par des collages ou des liaisons mécaniques avec d'autres matériaux.
Ce qui manque, cependant, ce sont des degrés de liberté créatifs dans la conception ; les restrictions concernant l'accessibilité des outils ou la démoulabilité des moules d'injection demeurent. C'est précisément là que les avantages de la fabrication additive entrent en jeu. D'une part, la fusion laser permet d'imprimer des pièces métalliques dont la densité peut atteindre 99,9 % de celle d'un matériau laminé ou forgé. D'autre part, différents matériaux peuvent être combinés dans l'imprimante 3D. En renforçant avec des fibres de carbone directement pendant la production ou en insérant des fibres continues, les plastiques peuvent être rendus encore plus stables, robustes et, surtout, précisément adaptés à l'application respective. Et tout cela avec une liberté de conception absolue, qui permet, par exemple, des structures internes de nervures optimisées en fonction de la charge, des cavités internes ou des canaux d'écoulement.
L'évolution est extrêmement douée pour mettre en œuvre les débits, l'efficacité thermique ou la réduction des vibrations - même mieux que ce dont la technologie humaine est capable. Grâce à une puissance de calcul toujours plus grande et aux progrès de l'intelligence artificielle, il est désormais possible de se rapprocher des modèles de la nature dans le domaine de la fabrication additive. L'impression 3D permet d'adapter la conception de composants fabriqués auparavant de manière traditionnelle de telle sorte que non seulement les composants peuvent être produits de manière beaucoup plus efficace et avec beaucoup moins de déchets, mais les performances, la stabilité et la robustesse sont également considérablement augmentées.
Les calculs automatisés dans l'environnement CAO créent ainsi des formes quasi naturelles, d'aspect presque organique - une copie de la nature, dont on sait qu'elle est "ingénieur" à la perfection. La conception générative permet de produire des pièces qui, une fois encore, sont nettement plus stables que des pièces comparables produites par impression 3D classique, tout en limitant le poids au maximum.
Les structures en treillis, par exemple, offrent actuellement une excellente opportunité de redessiner complètement des composants qui étaient auparavant fabriqués en matériau solide. Moins de poids, moins de coûts et pourtant une stabilité maximale : la conception de structures légères est sans aucun doute un domaine qui offre de nombreuses et toutes nouvelles possibilités de conception grâce aux procédés modernes de fabrication additive. Pour en savoir plus, consultez notre blog : Structures en treillis
Les pièces issues de l'imprimante 3D sont belles, mais ne peuvent pas rivaliser avec les composants fabriqués de manière conventionnelle en termes de stabilité et de robustesse : Depuis des années, ce préjugé traverse les conversations qui naissent autour du sujet des procédés d'impression 3D. Dans les premières années de la fabrication additive, ce préjugé était peut-être vrai, mais les procédés d'impression 3D les plus modernes le renvoient là où il doit être : sur la pile de rebut des opinions dépassées.
En particulier, les pièces imprimées en 3D à partir du lit de poudre sont tout à fait comparables aux composants conventionnels en termes de stabilité et de robustesse. En outre, grâce à une combinaison astucieuse de matériaux et de procédés d'impression, tous les composants peuvent être adaptés très précisément à l'usage auquel ils sont destinés. L'augmentation constante de la puissance de calcul et l'utilisation de l'intelligence artificielle rendent également possible la conception générative, qui s'inspire directement des "constructions" parfaites de la nature et maximise ainsi le rapport stabilité/poids.
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Votre Jellypipe
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