Quelle précision dimensionnelle et quel état de surface offre l’impression 3D métal ?
Du point de vue de l’ingénierie et de la fabrication, la précision dimensionnelle et l’état de surface de l’impression 3D métal, en particulier avec les technologies à lit de poudre comme le DMLS/SLM, sont des indicateurs de performance essentiels qui définissent son domaine d’application. Il est important de comprendre que l’état « tel qu’imprimé » représente une base, et que l’obtention des tolérances d’ingénierie finales nécessite presque toujours un post-traitement complémentaire.
Précision dimensionnelle des pièces telles qu’imprimées
La précision dimensionnelle d’une pièce métallique imprimée en 3D décrit à quel point ses dimensions mesurées correspondent au modèle CAO prévu. Pour le DMLS, une précision typique est de ± 0,1 mm à ± 0,2 % (selon la valeur la plus grande) sur les caractéristiques critiques dans le plan X-Y. La précision sur l’axe Z (direction de construction) peut être légèrement moins constante.
Facteurs d’influence :
Paramètres de procédé : Puissance laser, vitesse de balayage et espacement des passes.
Géométrie de la pièce : Les parois fines et les surplombs sont sujets à la déformation en raison des contraintes résiduelles.
Matériau : Les différents alliages (par ex. l’aluminium 6061 vs. l’Inconel 718) présentent des coefficients de dilatation thermique et des caractéristiques de fusion différents.
Post-traitement : La détente thermique et les traitements comme le traitement thermique ou le HIP peuvent entraîner de légers décalages dimensionnels.
Comparaison avec les méthodes traditionnelles : La précision « telle qu’imprimée » est généralement inférieure à celle de l’usinage CNC, qui peut tenir de manière fiable des tolérances de ± 0,025 mm, voire plus serrées.
Atteindre des tolérances de précision avec la fabrication hybride
Pour les composants nécessitant des interfaces de précision, des portées de roulements ou des connexions filetées, la précision standard telle qu’imprimée est insuffisante. C’est là qu’une approche hybride devient indispensable.
Usinage CNC secondaire : Les caractéristiques critiques sont volontairement imprimées avec un surépaisseur (surépaisseur d’usinage), puis finies à des tolérances serrées grâce à des services d’usinage de précision, tels que le fraisage CNC ou le tournage CNC. Cette approche combine la liberté géométrique du DMLS avec la précision dimensionnelle du CNC.
Tolérances réalistes : Avec cette méthode, des tolérances de l’ordre de ± 0,025 mm à ± 0,05 mm (niveaux IT 7–9) sont atteignables sur les caractéristiques spécifiées, rendant les pièces adaptées à des applications exigeantes dans l’aéronautique et les dispositifs médicaux.
État de surface des pièces telles qu’imprimées
L’état de surface d’une pièce DMLS telle qu’imprimée se caractérise par une certaine rugosité due aux particules de poudre frittées. La plage typique se situe autour de Ra 10 - 25 μm (400 - 1000 μin), ce qui correspond à une surface rugueuse et texturée.
Origines de la rugosité :
Particules partiellement frittées : De fines particules de poudre adhèrent à la périphérie du bain de fusion.
Effet de « marches d’escalier » : La nature couche par couche crée une texture en marches sur les surfaces courbes ou inclinées.
Marques de supports : Les zones de contact entre les supports et la surface laissent des imperfections.
Impact fonctionnel : Cette surface rugueuse, telle qu’imprimée, est généralement inadaptée aux surfaces de roulement, aux joints d’étanchéité ou aux applications sensibles à la fatigue, car elle peut agir comme site de concentration de contraintes.
Amélioration de l’état de surface par post-traitement
Un ensemble de techniques de post-traitement est utilisé pour améliorer l’état de surface, chacune offrant des capacités et des résultats différents.
Sablage abrasif : Le sablage est une première étape courante qui nettoie la surface et réduit les pics de rugosité, permettant généralement d’atteindre Ra 4 - 8 μm. Il crée une finition mate uniforme.
Finition vibratoire : Le tumbling est excellent pour arrondir les arêtes, ébavurer et produire une finition plus lisse, semi-mate, améliorant la rugosité à environ Ra 1 - 4 μm.
Usinage par écoulement abrasif (AFM) : Efficace pour polir les canaux internes et les géométries complexes inaccessibles aux autres méthodes.
Électropolissage : Ce procédé électrochimique est particulièrement efficace pour obtenir une surface lisse, micro-polie. L’électropolissage permet d’améliorer l’état de surface jusqu’à Ra 0,2 - 0,8 μm tout en augmentant la résistance à la corrosion.
Usinage / rectification CNC : Pour le meilleur état de surface possible sur les surfaces planes ou cylindriques critiques, on utilise la rectification CNC ou l’usinage traditionnel. Ces procédés peuvent atteindre des états de surface de l’ordre de Ra 0,4 μm ou mieux, équivalents à un état de surface brut d’usinage de haute qualité.
Résumé des spécifications atteignables
Caractéristique | Tel qu’imprimé (DMLS) | Avec post-traitement |
|---|---|---|
Précision dimensionnelle | ± 0,1 mm à ± 0,2 % | ± 0,025 mm (sur les surfaces usinées) |
État de surface (Ra) | 10 - 25 μm | 0,2 - 4 μm (selon la méthode) |
Recommandations d’ingénierie pour la conception
Concevoir en fonction du procédé : Tenez compte des limites de l’état tel qu’imprimé dans votre conception, en évitant de placer des tolérances critiques sur des surfaces internes difficiles d’accès.
Spécifier les surfaces critiques : Définissez clairement quelles surfaces nécessitent des tolérances serrées et de fins états de surface afin de prévoir une surépaisseur pour l’usinage secondaire.
Considérer l’ensemble du flux de fabrication : Le chemin optimal pour une pièce de haute précision consiste souvent à imprimer en 3D la forme quasi-finie complexe, puis à utiliser l’usinage CNC pour atteindre la précision finale.
