Le design des pièces en fabrication additive SLM

Design des pièces en fabrication additive métallique.

Design des pièces en fabrication additive métallique.

Le design des pièces en fabrication additive SLM revêt une importance non négligeable dans le succès d’un projet intégrant cette nouvelle technologie. Libérez-vous des règles de tracé traditionnelles et « pensez » fabrication additive.

Une technologie de fabrication à part entière

La fabrication additive métallique est de plus en plus considérée comme un procédé de fabrication à part entière. Avec cette technologie, il est possible de créer des formes et des géométries complexes qui étaient trop difficiles voire impossibles à fabriquer avec les technologies conventionnelles. Plus généralement, les capacités uniques des technologies de fabrication additive offrent de nouvelles possibilités de personnalisation, d’amélioration très significative des performances des produits, de multifonctionnalité et de réduction des coûts globaux de fabrication. Le défi est de développer de nouvelles méthodes de conception et de design bien spécifiques à la fabrication additive.

La chaine de valeur en fabrication additive

La mise en œuvre d’un processus de production de fabrication additive métallique nécessite plus que l’installation et l’utilisation d’une imprimante. L’ensemble de la chaine de valeur doit être prise en compte lors de la production. Les étapes du procédé de fabrication additive métallique dépendent de nombreux facteurs, notamment la technologie, l’équipement, l’application. Le workFlow ci-dessous est valable dans la plupart des cas. Il est devisé en cinq étapes principales : la conception et design, la préparation des données, la fabrication–impression 3D, le post-traitement et finalement le contrôle qualité.

WorkFlow du design des pièces en fabrication additive métallique.
WorkFlow du design des pièces en fabrication additive métallique.

Différents modes de conception pour la fabrication additive

Le design et la conception sont les premières étapes de la chaine de valeur. Les défis et les opportunités en matière de conception pour la fabrication additive métallique varient selon l’existence ou non d’un modèle 3D préalable. Il existe trois grandes familles de conception et design : la conception conventionnelle, la conception adaptative et enfin la conception pour la fabrication additive. La conception conventionnelle est une approche non flexible puisque qu’aucun changement dimensionnel à minima n’est autorisé. Cette approche est généralement utilisée pour les pièces de rechange et rarement recommandée pour la fabrication additive. Dans cette méthode on reproduit simplement une géométrie obtenue avec un procédé traditionnel tel que la fonderie, la forge ou l’usinage. La conception adaptative pour la fabrication additive est une approche plus flexible où il est possible de modifier les formes internes et/ou externes, à condition de respecter les exigences dimensionnelles et fonctionnelles de la pièce. Il est également possible d’intégrer des fonctions tout en respectant les fonctions principales et secondaires du produit. Enfin, la conception pour la fabrication additive dans laquelle la pièce est entièrement reconçue pour l’adapter aux contraintes de la fabrication additive avec la possibilité d’intégrer de nouvelles fonctions tout en garantissant la faisabilité de la pièce. Dans la suite de cet article, nous nous focaliserons sur l’approche de design « pour » la fabrication additive.

Le design pour la fabrication Additive

Design de pièce en fabrication additive - éprouvettes d'études de l'angle construction.
Design de pièce en fabrication additive – éprouvettes d’études de l’angle construction.

Le design pour la fabrication additive (Design For Additive Manufacturing DFAM) est une nouvelle approche en conception des pièces par impression 3D qui tend à mettre en relief le besoin de modifier la façon dont les concepteurs conçoivent leurs pièces. La conception pour la fabrication additive propose de se libérer des règles et des méthodes de fabrication traditionnelles. Les concepteurs doivent ainsi penser d’une autre manière, notamment tenter d’imaginer l’intégration de leur pièce dans son environnement, afin de voir s’il existe des façons nouvelles et différentes de combiner efficacement plusieurs pièces en une seule. Il existe des règles générales de conception pour la fabrication additive, qui ont pour but d’orienter le concepteur dans sa démarche. Presque toutes les formes de fabrication additive sont concernées par ces règles générales de tracé. Dans cet article, nous mettrons l’accent sur les principes fondamentaux du design pour la fabrication additive directe sur lit de poudre.

Minimiser les contraintes résiduelles

Les contraintes résiduelles ont un impact significatif sur la qualité de la pièce. En effet, durant le processus de fabrication, l’apport important en énergie (la source laser en SLM) et la lente évacuation thermique de chaleur dans les couches voisines entraînent de forts gradients thermiques et provoquent des contraintes internes. Ces dernières peuvent provoquer des défauts comme les fissurations.

Pièce fissurée en fabrication additive liée à de trop fortes contraintes résiduelles.
Pièce fissurée en fabrication additive liée à de trop fortes contraintes résiduelles.

Plusieurs paramètres peuvent avoir un impact sur la qualité des pièces issues de la fabrication additive. Les influences diverses de ces paramètres peuvent être anticipées dès la phase de conception du produit. Par exemple, le choix des stratégies de lasage a un impact direct sur l’apparition des défauts, comme notamment la fissuration ou le délaminage. En effet, une mauvaise stratégie de lasage augmente la concentration des contraintes résiduelles dans la pièce, ce qui favorise l’apparition de défauts. Le processus de fusion, dans le cas du procédé SLM, dépend du matériau et des paramètres énergétiques, tels que la puissance du laser, la vitesse ou encore la stratégie de scan. En vue de minimiser les contraintes résiduelles, il est recommandé de choisir une stratégie de lasage adaptée, éviter les grandes surfaces ininterrompues ou faire attention aux changements de sections transversales.

Bien choisir la bonne orientation de la pièce

La qualité finale de la pièce issue de la fabrication additive – propriétés mécaniques, état de surface, … – est directement liée au choix de l’orientation de la pièce. Lors de la conception, il est indispensable de penser en permanence à l’orientation dans laquelle la pièce sera produite. L’orientation détermine en effet la direction de l’anisotropie, un facteur important qu’il faut par conséquent prendre en compte dans le processus de fabrication. La pièce doit être ainsi orientée de manière à ce que ses caractéristiques mécaniques exigées soient satisfaites par rapport au cahier des charges initial. Ceci est particulièrement vrai pour l’ensemble des procédés de fabrication additive et notamment pour le procédé SLM, en raison de la structure de support nécessaire, du gauchissement des composants et de l’orientation en fonction de la qualité de surface. Il est recommandé de choisir des orientations d’impression autoportantes pour les pièces car cela minimisera le besoin en supportage et par conséquents les opérations supplémentaires de post-traitement.

Besoin en supports pièce en procédé SLM.
Besoin en supports pièce en procédé SLM.

Minimiser et adapter les supports

Lors de la conception d’une pièce pour la fabrication additive métallique, particulièrement sur lit de poudre, il est important de minimiser le besoin en supports. Cette règle est même est indispensable notamment pour les canaux intérieurs, afin que ces derniers ne puissent pas être remplis avec des supports qui ne peuvent pas être enlevés à la fin de la fabrication.

Les supports servent à supporter la pièce et à fixer les surfaces et les géométries non autoportantes, ainsi qu’à évacuer la chaleur de la structure induite par l’apport thermique. La deuxième fonction principale des supports est de minimiser les déformations induites par des contraintes résiduelles causées par le fort gradient thermique, qui provoquent un gauchissement et un écart dimensionnel par rapport à la CAO. Il est important de noter que la conductivité thermique et les contraintes de flexion causées par la chaleur sont différentes pour chaque matériau. Cela signifie que la nature des supports ainsi que leur rigidité doivent être adaptées pour chaque matériau.

Design pièce en fabrication additive - position des supports et plateau.
Design pièce en fabrication additive – position des supports et plateau.

Améliorer l’état de surface

L’état de surface brute des pièces métalliques fabriquées par fusion sur lit de poudre n’est généralement pas adapté en l’état pour être utilisé directement, en particulier pour les surfaces fonctionnelles et les surfaces critiques en fatigue.

Besoin de supports fonction de l'angle en fabrication additive SLM.
Besoin de supports fonction de l’angle en fabrication additive SLM.

La qualité de surface des pièces issue de la fabrication par fusion sur lit de poudre peut être impactée directement par le choix de l’orientation des pièces, par la géométrie non adaptée à la fabrication additive et par les paramètres de la mise en couche et le choix de la granulométrie de la poudre. Lorsque ces pièces doivent être utilisées dans des produits finis, un post-traitement éventuel doit être envisagé dès les premières étapes du processus. Le concepteur doit ainsi prendre en compte le post-traitement dans la phase de conception de la même manière que pour la conception des surépaisseurs d’usinage par exemple.

Une liberté de formes, mais des contraintes de design

Le design pour la fabrication additive notamment pour le procédé de fusion sur lit de poudre nécessite une connaissance du processus de fabrication, de comportement des matériaux en plus des règles de conception standard. Bien que le procédé SLM offre une liberté de conception, il impose également de nombreuses contraintes de fabrication pour la conception et le design des composants métalliques.

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