Pourquoi la fabrication additive nécessite une approche différente pour les essais mécaniques
Du prototypage à la production : ce qui change lorsque la fabrication additive monte en puissance
La fabrication additive, plus communément appelée impression 3D, a largement évolué au-delà de son rôle initial d'outil de prototypage rapide. Aujourd'hui, elle est de plus en plus utilisée pour la production en série de composants fonctionnels porteurs dans un large éventail d'industries. À mesure que l'adoption s'accélère, le besoin d'essais mécaniques reproductibles et précis pour garantir les performances, la fiabilité et la conformité réglementaire s'accroît également.
Cette série d'articles de blog explore les fondamentaux de la fabrication additive, les défis uniques liés aux essais des pièces fabriquées de manière additive, et comment la bonne approche d'essai, ainsi que le bon partenaire d'essai, permettent aux ingénieurs de faire passer en toute confiance la fabrication additive du développement à la production.
Qu'est-ce que la fabrication additive ?
La fabrication additive est le processus de création d'objets par ajout de matière couche par couche directement à partir d'un modèle numérique. Cette approche contraste avec la fabrication soustractive traditionnelle, où la matière est retirée d'un bloc solide par usinage.
Cette méthode couche par couche offre plusieurs avantages significatifs. La fabrication additive offre une liberté de conception inégalée, permettant des caractéristiques internes complexes, des structures en treillis et des géométries qui seraient peu pratiques ou impossibles à usiner. Elle favorise également l'itération rapide, réduisant considérablement les cycles de développement du concept à la pièce physique. De plus, la fabrication additive peut être très rentable pour la production en volumes faibles à moyens en raison d'exigences minimales en matière d'outillage, tout en réduisant également le gaspillage de matière. Ces avantages rendent la fabrication additive particulièrement attractive pour la production personnalisée à la demande.
Cependant, ces mêmes avantages introduisent de nouvelles variables qui doivent être comprises, mesurées et contrôlées par des essais de haute qualité.
Principales technologies de fabrication additive
Un large éventail de technologies additives est désormais utilisé dans les applications industrielles, chacune avec ses propres comportements de matériaux et exigences d'essai.
Le dépôt de fil fondu (FDM) est l'un des procédés de fabrication additive les plus largement reconnus. Il fonctionne en faisant fondre et en extrudant un filament à travers une buse, utilisant généralement des thermoplastiques. Bien qu'historiquement limité aux polymères, le FDM est désormais également disponible pour les métaux et les composites renforcés de fibres.
Le dépôt d'énergie dirigée (DED) est un procédé dans lequel une énergie focalisée fait fondre le matériau au fur et à mesure de son dépôt, la fabrication additive par arc électrique (WAAM) étant une variante DED à taux de dépôt élevé qui est effectivement un procédé de soudage contrôlé. Le WAAM est particulièrement bien adapté à la production de composants métalliques de grande taille et offre une solution plus rentable pour les constructions métalliques à grande échelle.
Les technologies de fusion sur lit de poudre utilisent une source de chaleur pour fusionner le matériau en poudre couche par couche, notamment :
- La fusion laser sélective (SLM) pour les pièces métalliques à haute densité
- Le frittage laser sélectif (SLS) pour les composants polymères
- La fusion par faisceau d'électrons (EBM) pour les métaux réactifs tels que le titane
- Le frittage laser direct de métal (DMLS) pour les applications métalliques de précision
D'autres procédés tels que le liage de poudre et la stéréolithographie (SLA) continuent d'élargir le paysage de la fabrication additive, augmentant encore la diversité des matériaux et des exigences d'essai que les ingénieurs doivent gérer.
Tendances et croissance du marché
La fabrication additive est désormais utilisée pour les métaux, les polymères, les céramiques et les composites, avec une adoption couvrant l'aérospatiale, l'automobile, le biomédical, l'électronique, la construction, l'outillage et les biens de consommation. Le marché mondial est actuellement évalué à des dizaines de milliards de dollars et devrait connaître une croissance rapide au cours de la prochaine décennie.
Les principaux domaines de croissance comprennent les matériaux nouveaux et optimisés tels que les nouveaux alliages métalliques et les matériaux durables, l'impression multi-matériaux pour les pièces à propriétés spatialement variables, et la conception, le procédé et l'optimisation de la qualité pilotés par l'IA.
À mesure que la fabrication additive devient une voie de fabrication essentielle pour les pièces structurelles et critiques pour la sécurité, les essais mécaniques des pièces fabriquées de manière additive sont observés plus fréquemment non seulement pour la recherche et la qualification, mais également pour la validation et la certification.
Défis de la fabrication additive
Lors de l'examen des propriétés mécaniques des pièces fabriquées de manière additive, plusieurs défis techniques impactent directement les performances mécaniques.
Les pièces fabriquées de manière additive présentent fréquemment des défauts tels que la porosité, le manque de fusion et la rugosité de surface, qui peuvent entraîner une faiblesse mécanique. Ceux-ci surviennent parce que les pièces sont effectivement composées de milliers de petites « coulées » incrémentales, chacune introduisant des imperfections potentielles. Les techniques de post-traitement telles que l'usinage et le traitement thermique peuvent réduire ces problèmes, mais elles ne peuvent pas les éliminer entièrement.
Un autre défi majeur est l'augmentation de la variabilité des propriétés des matériaux. Les variations au sein d'une seule pièce, appelées inhomogénéité, peuvent se produire en raison de différences dans la dissipation de chaleur le long des trajectoires d'impression. De plus, la variabilité peut se produire d'une pièce à l'autre, d'un opérateur à l'autre, d'une machine à l'autre, et avec les paramètres de procédé et de production. Cette variabilité peut impacter la taille d'échantillon requise pour des données fiables.
Enfin, les composants fabriqués de manière additive présentent souvent des propriétés hautement directionnelles, connues sous le nom d'anisotropie. Parce que les pièces sont construites couche par couche, les propriétés mécaniques dans la direction de construction (Z) sont généralement plus faibles que celles dans le plan XY. Ce comportement directionnel a des implications importantes pour un alignement, un contrôle et une reproductibilité précis lors des essais.
L'approche Instron : essais précis et fiables
La fabrication additive introduisant une variabilité plus élevée, une dispersion de données plus importante et un comportement directionnel marqué, la qualité du système d'essai compte autant que le matériau lui-même. Des essais mécaniques rigoureux sont essentiels pour distinguer le véritable comportement du matériau des effets induits par l'essai.
Les systèmes d'essai Instron® sont conçus pour offrir la précision, la stabilité et la reproductibilité requises pour les matériaux fabriqués de manière additive, du criblage initial des matériaux aux essais de qualification complets. En combinant une mesure précise de la charge et de la déformation avec des montages spécifiques à l'application et un support expert, Instron permet aux ingénieurs de générer des données fiables sur lesquelles ils peuvent compter.
Dans un paysage de fabrication où les performances sont définies par les défauts, la variabilité et l'anisotropie, s'associer à un leader des essais comme Instron est essentiel pour transformer des conceptions innovantes en composants fiables et prêts pour la production.
À propos de l’auteur
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Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove est responsable du développement commercial pour ElectroPuls® chez Instron. Son parcours comprend un MSci de l'Université de Cambridge avec une spécialisation sur les propriétés de surface des pièces fabriquées de manière additive, ainsi que des postes antérieurs dans les essais de matériaux pour l'industrie de la fabrication additive. Chez Instron, elle a occupé divers postes techniques et commerciaux, lui donnant une compréhension approfondie à la fois de la technologie et des défis clients qu'elle aborde.