Réduire le coût de l'impression 3D

L'essor de la fabrication additive dans l'impression 3D a introduit un niveau inégalé de prototypage rapide, de fabrication et de tests de matériaux/conception jusqu'à une empreinte qui peut tenir sur un petit bureau. Il existe de nombreuses méthodes et technologies dans le domaine de l'impression 3D, et dans l'ensemble, il s'agit d'un marché de 13,7 milliards USD en 2020, qui devrait croître à un TCAC de 29,48 % pour atteindre une valeur de 63,46 milliards USD en 2026. Il existe différentes méthodes de technologies dans le spectre de l'impression 3D, toutes partageant la capacité de fabriquer des pièces couche par couche en quelques heures. La modélisation par dépôt de matière fondue (FDM) est la technologie la plus populaire et la plus facile d'accès : une buse dépose et construit des modèles de bas en haut. 67 % des entreprises ayant accès à l'impression 3D utilisent la FDM. La stéréolithographie (SLA) et le traitement numérique de la lumière (DLP) sont des technologies plus précises qui utilisent une diode laser UV pour durcir la résine ou, dans le cas du DLP, pour projeter des images de coupes transversales. La technologie la plus recherchée et qui connaît la plus forte croissance est le frittage sélectif par laser (SLS), qui fusionne la puissance du nylon dans des conceptions à part entière.

Le principal avantage de l'impression 3D pour la fabrication indépendante et à faible coût est sa facilité d'accès, son flux de travail simplifié et sa réduction des coûts par rapport aux méthodes de fabrication plus traditionnelles. L'encombrement nécessaire à la mise en place et au fonctionnement des équipements d'impression 3D permet d'économiser des sommes considérables, ce qui permet à de nouveaux talents d'entrer dans le secteur de la fabrication sans machines et ateliers inflexibles. L'installation de l'impression 3D nécessite un calibrage minimal et une maintenance minimale tout au long de son cycle de vie. Une seule imprimante peut imprimer une multitude de fichiers téléchargés, ne nécessitant généralement que le retrait des pièces et un léger nettoyage entre les impressions. Les logiciels de CAO 3D comme SOLIDWORKS de Dassault facilitent encore le processus en permettant l'intégration de bout en bout de la conception, de l'analyse des éléments, de l'évaluation et de l'impression d'un produit à part entière à partir du même programme, en quelques heures seulement. La flexibilité de l'impression en interne des pièces et des conceptions pour les tests et la fabrication permet de gagner un temps et des ressources inestimables par rapport à l'externalisation vers des méthodes de fabrication plus traditionnelles.

Le principal critère d'impact sur le coût de l'impression 3D est la réduction de l'utilisation de filaments ou de matériaux. La fabrication additive par impression 3D n'est pas très gourmande en énergie par rapport à d'autres méthodes, en particulier les imprimantes FDM qui ne nécessitent pas de durcissement post-processus. La plupart des imprimantes fonctionnent avec une variété de matériaux, le plus souvent des polymères plastiques, des composés de nylon, des céramiques et même des alliages métalliques, notamment l'acier, l'aluminium et le cuivre. La plupart des imprimantes en plastique et en résine nécessitent l'utilisation de supports pour aider à la liaison et à la stabilité structurelle pendant le processus d'impression, et jusqu'à un tiers du matériau total pourrait être gaspillé dans l'impression du matériau de support.

Modifier l'orientation des pièces pour que la surface la plus plate/grande d'un dessin se trouve sur le lit chauffant ou la plaque de surface augmente la résistance de l'impression et réduit le nombre de supports nécessaires. Il est également crucial de surveiller l'impression pour s'assurer qu'elle n'échoue pas à mi-parcours en raison d'un défaut de collage à un point de support - les impressions ratées entraînent une perte de matériau. En outre, certaines conceptions de support utilisent moins de matériaux que d'autres, comme les supports "en arbre". Les conceptions plus simples et certaines conceptions organiques nécessitent peu ou pas de support du tout. La consultation d'autres concepteurs par le biais du réseau Dassault sur 3DEXPERIENCE peut aider à analyser le support structurel.

Dans le cas de la plupart des imprimantes 3D en métal et en nylon qui reposent sur le frittage laser, comme l'impression SLS, le matériau est fabriqué à partir d'une poudre, plutôt que d'un filament ou d'une résine. Cela ne nécessite pas de supports comme les imprimantes FDM, SLA et DLP, mais le processus de nettoyage exige de brosser et d'enlever les produits matériels comme si l'on fouillait un artefact. Il s'agit d'un post-processus plus intensif qui nécessite également un durcissement, mais la poudre de matériau inutilisée peut être réutilisée sur l'impression suivante, en fonction du taux de recyclage. Grâce à cela, l'impression SLS permet de fabriquer plusieurs pièces de haute qualité en une seule session d'impression sans supports, sans changement de filament et sans surveillance constante.

Certaines imprimantes sont capables d'imprimer des produits de l'ordre du micromètre ; bien que cela ne soit pas une nécessité, il est possible de réduire des conceptions complètes pour tester les effets de paramètres de conception généraux en fonction de la taille de la buse ou du motif d'impression. L'aérodynamisme des carrosseries aérospatiales et automobiles, la résistance à la traction des membres et d'autres facteurs peuvent être testés à échelle réduite assez rapidement par rapport à la fabrication sur mesure et au modelage en argile. L'impression 3D peut également permettre la fabrication à grande échelle dans les imprimantes FDM les plus courantes, comme leurs homologues SLS plus coûteuses, et certaines imprimantes FDM peuvent être orientées pour exécuter des impressions sur un lit d'impression à bande transporteuse afin d'équilibrer la qualité d'impression d'une seule pièce et la production par lots.

Nous avons déjà mentionné la nécessité d'optimiser les supports comme facteur de réduction des déchets de matériaux. La surface du produit lui-même est connue sous le nom d'enveloppe et peut avoir plusieurs couches d'épaisseur, à l'intérieur de laquelle se trouve le remplissage. Si le remplissage est réglé à 100 %, la totalité de l'objet doit être remplie de matériau. Cette opération nécessite une quantité extraordinaire de temps et de matériau sans pour autant créer un produit plus solide, car le laser ou la buse doit appliquer le matériau sur chaque zone de la section transversale de chaque couche. Des motifs de remplissage plus efficaces peuvent être sélectionnés, certains motifs de hachures et certaines géométries pouvant non seulement augmenter la résistance d'un matériau mais aussi réduire considérablement la quantité de remplissage. La quantité de remplissage est réduite pour le prototypage rapide d'idées générales ou d'ajustements et augmentée pour les pièces et produits de production.

La plupart des réductions de coûts de l'impression 3D sont réalisées dans les étapes de la CAO, où les différents points de défaillance et le gaspillage de matériaux peuvent être évités dans la conception et l'analyse. Il est sage non seulement de se préparer correctement, mais aussi de consulter d'autres personnes pour obtenir de l'aide dans le processus.