Conception générative et optimisation de la topologie pour l'impression 3D FDM

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À l'heure actuelle, les technologies additives se positionnent comme des technologies pouvant largement remplacer les approches traditionnelles de fabrication et de réparation de pièces d'ingénierie mécanique [1]. L'expérience accumulée montre que l'utilisation de technologies "d'impression tridimensionnelle" (impression 3D) vous permet de créer des produits dans les plus brefs délais et avec une perte de matière minimale.

La technologie de l'impression tridimensionnelle est basée sur la création et l'utilisation d'un modèle numérique 3D du produit résultant. Ce modèle peut être généré à la fois au cours de sa conception à l'aide du logiciel approprié et en scannant les composants endommagés des unités d'assemblage de la machine (à l'aide d'un scanner 3D) avec un traitement informatique ultérieur des résultats. La présence d'un modèle numérique augmente considérablement la vitesse et la précision de la production de pièces.

En raison de la pratique actuelle de généralisation des réseaux informatiques, lors de la fabrication additive et de la restauration de pièces, le développeur de leur copie électronique peut se trouver à n'importe quelle distance de l'objet (machine). Cela permet une approche qualitativement différente de l'organisation de la production additive de produits divers et ouvre des perspectives pour la création de complexes multifonctionnels universels de production et de réparation basés sur l'impression 3D.

Pour l'introduction généralisée des technologies additives en génie mécanique, il est nécessaire d'accumuler de l'expérience dans la création de produits de génie mécanique spécifiques et de montrer l'efficacité de cette approche. Une méthode innovante de développement d'une technologie d'impression 3D pour la production de galets de roulement pour véhicules tout-terrain, à laquelle ce travail est consacré, est consacrée à la résolution de ce problème particulier.

1 Analyse de l'utilisation de la méthode d'impression 3D pour l'obtention de produits de génie mécanique

1.1 Analyse des domaines d'application existants de l'impression 3D sur le marché russe

Les prototypes des premières imprimantes 3D ont émergé dans les années 90 du siècle dernier, mais ils n'ont gagné une large diffusion commerciale qu'au début des années 2010, lorsque les fabricants ont réalisé qu'ils pouvaient être utilisés pour une production à petite échelle [2]. À peu près à la même époque, les technologies additives ont commencé à se développer en Russie. Les premières entreprises nationales ont commencé à développer leurs propres imprimantes 3D. L'impression 3D s'est généralisée il y a environ 5 ans, puis des entreprises ont commencé à apparaître qui vous permettent d'imprimer la pièce souhaitée sans acheter votre propre imprimante 3D.

En ce moment, l'impression 3D en Russie prend de l'ampleur. Ce n'est pas une nouveauté depuis longtemps que des produits fonctionnels soient fabriqués par impression 3D, à la fois capables de porter une charge et non. L'impression 3D est utilisée pour produire des pièces dans l'aviation, les fusées, l'automobile, la médecine, la bijouterie, le prototypage, la conception et autres.

L'impression 3D est une technologie très flexible. Peut-être que dans chaque domaine, il existe un endroit où les technologies d'impression 3D pourraient être appliquées. Il existe plus de 200 technologies d'impression 3D différentes. Actuellement, lorsqu'on parle d'impression 3D, on s'intéresse avant tout au matériau à partir duquel la pièce sera réalisée. En fonction des propriétés du matériau, nous pouvons sélectionner la technologie d'impression 3D optimale. Chaque domaine d'application a ses propres critères auxquels doivent répondre les pièces réalisées sur une imprimante 3D : précision, rugosité, résistance, poids, etc.

Pour l'aviation et les fusées, les pièces doivent être solides, légères, précises et avoir des propriétés particulières inhérentes à l'objet donné. Dans ces domaines, les plastiques et métaux dits techniques sont couramment utilisés. L'ajout de divers éléments pour les plastiques peut améliorer les propriétés du matériau dans les conditions requises. Divers filaments avec du polycarbonate, des mélanges de plastiques avec d'autres matériaux pour l'impression 3D, des polyamides, des matériaux PEEK, PEI, PPSF, PSU [3] sont capables de travailler dans des conditions sévères et répondent aux exigences de l'aviation. De nombreuses entreprises utilisent l'impression 3D pour la production de prototypes, de pièces intérieures, de peaux d'avions et d'utilitaires.

On ne peut manquer de mentionner l'utilisation de l'impression 3D métal dans l'aviation et les fusées. L'impression 3D en métal vous permet d'obtenir des propriétés spéciales des métaux grâce au principe de combinaison de poudres métalliques dissemblables. Cette technologie, contrairement à la fonte, vous permet d'obtenir une forme plus complexe d'un objet sans coûts élevés de matériaux et de main-d'œuvre. De plus, les produits métalliques imprimés en 3D n'ont pas de porosité pouvant interférer avec la qualité de la coulée.

Figure 1 - Support pour la société S7

Figure 2 - Support pour la société S7

L'expérience d'utilisation de l'impression 3D dans la production de voitures russes consiste à créer des voitures Aurus du projet Cortege, dans lesquelles les technologies d'impression 3D ont été utilisées. Certaines pièces ont d'abord été imprimées à partir de plastique, puis à l'aide du modèle maître imprimé par moulage par injection, des pièces de travail de forme optimale ont été fabriquées, qui surpassent leurs homologues d'autres entreprises mondiales en termes de caractéristiques de poids. De plus, certaines pièces ont été fabriquées par impression 3D métal. La figure 3 montre une buse SLM.

Figure 3 - Le tuyau de la voiture Aurus, réalisé par impression 3D

L'utilisation de l'impression 3D en médecine est actuellement assez répandue, mais en raison du manque de certification pour les produits fabriqués par impression 3D, ce domaine ne se généralise pas. Néanmoins, à l'heure actuelle, l'impression 3D est utilisée en chirurgie, en prothèse et en dentisterie, des technologies sont en cours de développement pour imprimer des organes ou des parties du corps (Figure 4).

Figure 4 - Modèle de la colonne vertébrale d'un animal pour l'opération

Ainsi, en 2017, une opération chirurgicale a été réalisée pour la transplantation d'un implant osseux imprimé sur une imprimante 3D en Russie pour la première fois. Un groupe de médecins dirigé par le professeur Georgy Gafton a sauvé le patient d'une tumeur cancéreuse de l'os pubien pendant trois heures et demie [4]. L'implant a été fabriqué par Endoprint, une société d'implants chirurgicaux imprimés en 3D (Figure 5). Un implant en titane basé sur l'IRM et la tomodensitométrie a été placé dans l'os.

Figure 5 - Un exemple de fabrication d'un implant par impression 3D

En Russie, le corset GS3 a été inventé, il a été fabriqué en utilisant la méthode d'impression 3D (Figure 6). La particularité du corset est qu'à l'aide de gyroscopes et d'accélérateurs, le corset s'adapte aux mouvements de la personne, offrant un soutien du dos sans gêne.

Figure 6 - Corset GS3, avec possibilité de réglage individuel

La dentisterie est un domaine où l'impression 3D est largement utilisée dans la création d'inlays, d'onlays, de couronnes, de facettes, de protège-dents spéciaux, etc. Les matériaux utilisés dans l'impression 3D pour la dentisterie sont hautement biocompatibles, précis et ont une faible rugosité de surface. De plus, le matériau peut être sélectionné en fonction d'exigences spécifiques, ce qui améliore la qualité de service et la durabilité des objets utilisés (Figure 7).

Figure 7 - Aligneur dentaire fabriqué par impression 3D à partir de NextDentOrthoClean

L'un des côtés où l'impression 3D peut encore être utilisée en médecine est la fabrication de divers organes, parties du corps, guidant les médecins pour former les médecins avant une opération importante. Les cas où, selon l'IRM et le scanner, un crâne ou des os d'une personne ou d'un animal sont réalisés pour la pratique d'un chirurgien ne sont plus rares (Figure 8) [5].

Figure 8 - Gabarit chirurgical pour l'opération sur les os de l'animal, fabriqué par la société "Studia3D»

Outre l'utilisation de l'impression 3D dans des domaines importants pour la vie humaine et le développement de la société, la technologie est utilisée à des fins esthétiques. Par exemple, les bijoutiers utilisent depuis longtemps l'impression photopolymère pour créer des bijoux spéciaux. La méthode d'impression 3D vous permet de créer n'importe quelle forme, de fabriquer un moule pour la coulée, puis de créer diverses choses à partir de celui-ci (Figure 9). Souvent, les bijoux peuvent être créés par une autre méthode - en frittant de la poudre de métal précieux. Cette méthode contourne la création de moules et la coulée ultérieure et permet des formes plus complexes et incroyables.

Figure 9 - Bijoux réalisés à partir d'un modèle imprimé sur une imprimante 3D

La création de pièces de collection et cadeaux est l'un des domaines liés à la joaillerie. Le maître-modèle est réalisé selon le même principe, selon lequel le moule est utilisé et la pièce finie est coulée.

Les applications esthétiques de l'impression 3D ne s'arrêtent pas là. Les ateliers de modélisme ont apprécié la technologie d'impression 3D et l'utilisent activement dans leurs projets. La création de maquettes de maisons, d'appareils techniques (Figure 10), d'aménagement paysager, de maquettes d'agences gouvernementales et de pôles de transport (Figure 11) - tout cela est désormais plus facile et plus rapide à fabriquer grâce à l'impression 3D. Les produits pour maquettes ne sont pas soumis à des critères de résistance élevée, mais dans ce domaine, un dessin précis des détails est important. Par conséquent, les objets de modèles sont fabriqués à la fois en plastique et en divers photopolymères.

Figure 10 - Maquette d'un générateur électrique permettant de visualiser le concept d'un nouveau produit, réalisé par l'entreprise "Studia3D»

Figure 11 - Maquette du port de Makhachkala, réalisée par la société "Mashtab" avec "Studia3D»

Le design est l'une des utilisations les plus importantes de l'impression 3D. On pense que l'impression 3D n'est destinée qu'à la fabrication d'objets non fonctionnels et décoratifs, mais comme on peut le voir ci-dessus, ce n'est pas le cas. Néanmoins, les applications de conception de la technologie sont largement utilisées et l'impression 3D est devenue la préférée de nombreuses entreprises de décoration. Stands d'exposition d'événements, statues d'une hauteur de 1,5 à 2 mètres (figure 12), statuettes de récompenses pour les concours (figure 12), coffrets cadeaux de sujets spécifiques et éditions limitées et bien plus encore - où l'impression 3D est désormais utilisée dans la conception.

Figure 12 - Statue d'un héros de dessin animé d'une hauteur de 2,5 mètres (à gauche) et récompenses pour le festival du film (à droite)

1.2 Avantages et inconvénients de l'impression 3D dans la fabrication de produits de génie mécanique

Chaque technologie de fabrication a ses propres avantages et inconvénients. La mesure dans laquelle les avantages dans certaines conditions l'emportent sur les inconvénients de la technologie détermine sa faisabilité et son efficacité. En parlant des avantages directs de l'impression 3D en tant que technologie, les éléments suivants peuvent être soulignés : production moins chère, poids plus léger du produit tout en conservant les caractéristiques, vitesse élevée de production en petits lots.

Comment l'impression 3D permet de réduire le coût de production : la présence d'une imprimante 3D implique l'utilisation de surfaces de production plus petites, moins d'équipements de production avec des équipements par rapport aux méthodes de traitement traditionnelles. Souvent, une imprimante 3D ne nécessite que la température ambiante, de l'électricité, un minimum d'outils pour la maintenance et l'étalonnage, sans compter les éléments de base sous forme de consommables et de composants supplémentaires. Pour certains types de machines, un refroidissement supplémentaire est nécessaire ou, au contraire, un maintien de la température optimale, des outillages spéciaux, une maintenance plus complexe par rapport aux imprimantes 3D personnelles par exemple. La réduction des coûts de production est principalement due au principe d'additivité, grâce auquel beaucoup moins de matière est consommée que dans la production traditionnelle. En raison de la possibilité d'obtenir n'importe quelle forme sans utiliser une variété de méthodes, l'impression 3D est populaire pour la fabrication de pièces ou de produits atypiques. De plus, un certain nombre de raisons pouvant réduire les coûts de fabrication incluent le fait que l'impression 3D est capable de produire une petite série de pièces sans concevoir, par exemple, des moules de coulée ou créer un outillage spécial. Si dans le processus de conception une erreur a été commise ou si les préférences ou les caractéristiques du produit fabriqué ont changé, alors le coût de fabrication d'un échantillon en impression 3D est bien inférieur à celui des autres types de production.

Un avantage tout aussi important des avantages susmentionnés est la vitesse de production élevée de l'impression 3D. L'impression 3D elle-même, comme cela peut paraître à première vue, est un long processus impliquant le passage d'une buse d'extrudeuse ou d'un laser sur une trajectoire donnée un nombre considérable de fois. Mais n'oubliez pas le temps de préparation réel du produit pour l'impression 3D, le temps de l'opérateur de l'imprimante 3D pour préparer le g-code, l'impression 3D d'un produit complexe dans une "configuration" - tout cela a un effet positif sur le temps de fabrication partiel. Naturellement, pour les produits simples ou la production de masse dans le cas des presses à injecter, l'impression 3D n'offre pas d'avantage de temps, mais lorsqu'il s'agit de formes complexes et de petites séries, l'impression 3D est clairement la préférée.

Au cœur de l'impression 3D se trouve le concept consistant à obtenir n'importe quelle forme de produit. Avec une manipulation appropriée de cet outil et en tenant compte de tous les facteurs qui l'accompagnent, les avantages suivants peuvent être clairement mis en évidence :

• Vitesse de fabrication
• Production en une seule configuration
• Minimiser les risques
• La capacité d'obtenir des produits de formes complexes
• Large gamme d'applications
• Disponibilité de la technologie

1.3 Analyse des matériaux d'impression 3D les plus courants

L'impression 3D est le processus de mise en forme d'un produit en appliquant un matériau. La technologie d'impression 3D est sélectionnée en fonction du matériau choisi et est déterminée par la composition chimique de ce matériau. Les matériaux les plus courants en impression 3D sont les thermoplastiques, les résines photopolymères (photopolymérisables), le polyamide et les métaux.

À l'heure actuelle, il existe plus de 200 technologies d'impression 3D, chaque technologie est due au matériau de base et à la présence d'additifs ou d'inclusions comme remplissage. Toutes les technologies, d'une manière ou d'une autre, sont réduites à quatre technologies de base :

• Dans le cas des thermoplastiques - superposer le matériau en extrudant le polymère à travers une filière et en liant la couche suivante à la précédente par adhérence. L'adhérence est due aux interactions intermoléculaires dans la couche de surface et se caractérise par le travail spécifique requis pour séparer les surfaces. La figure 13 montre un cas particulier d'impression 3D avec des thermoplastiques - technologie FDM.

Figure 13 - Un cas particulier d'impression FDM3D

• Dans le cas des résines photopolymères - durcissement couche par couche d'un photopolymère liquide en le frappant avec des photons. Il est considéré comme le plus optimal du point de vue de l'obtention de produits de haute précision. La figure 14 montre un schéma du procédé d'impression 3D avec des photopolymères utilisant l'exemple de la technologie SLA.

Figure 14 - Un cas particulier d'impression 3D photopolymère utilisant la méthode SLA

• Dans le cas de l'impression de poudres non métalliques, frittage sélectif de couches de matériau préalablement minces avec un faisceau laser. La figure 15 montre un schéma d'impression 3D avec de la poudre non métallique utilisant la technologie SLS.

Figure 15 - Un cas particulier d'impression SLS3D

• Dans le cas de l'impression de poudre métallique - fusion sélective par un faisceau laser de couches préalablement finement posées de poudre métallique. La figure 16 montre un schéma de l'impression 3D métallique utilisant la technologie SLM.

Figure 16 - Un cas particulier d'impression SLM3D

Une caractéristique caractéristique et prononcée des pièces imprimées sur une imprimante 3D est la texture de la superposition à la surface du produit.

1.4 Technologie d'impression 3D FDM

Actuellement, pour la fabrication de pièces de génie mécanique, les technologies d'impression 3D sont le plus souvent utilisées avec les métaux et, dans une moindre mesure, le polyamide et le photopolymère. Cependant, il existe une technologie FDM pour l'impression 3D avec des thermoplastiques, qui n'était pas considérée auparavant comme une méthode de fabrication de pièces d'ingénierie. Dans notre travail, nous avons décidé d'étudier la possibilité d'utiliser cette technologie pour obtenir des produits de génie mécanique, car elle présente un certain nombre d'avantages.

Premièrement, la technologie FDM est la plus répandue en raison du coût relativement faible des équipements et des consommables.

Deuxièmement, cette technologie est la plus simple à installer et à entretenir pour les imprimantes 3D. Dans ce cas, nous considérons cette technologie comme un concurrent direct des presses à injecter pour la production à petite échelle.

Regardons de plus près la technologie. Le processus lui-même est le processus de création d'un objet en déposant un filament fondu dans la chambre de travail d'une imprimante 3D. Technologie d'impression 1988D, dans laquelle la construction de l'objet est due à la fusion du filament en plastique, qui est acheminé à travers l'extrudeuse jusqu'à la surface de travail. Il a été développé par la société américaine Stratasys en 17. La figure 3 montre un schéma d'impression XNUMXD utilisant la technologie FDM.

Figure 17 - Principe de construction des matériaux avec la technologie d'impression 3D FDM

FDM est la technologie d'impression 3D la plus abordable et la plus utilisée au monde. Cette technologie est utilisée à la fois par les imprimantes 3D domestiques et personnelles bon marché et par les machines industrielles de haute précision. En règle générale, des produits relativement volumineux sont fabriqués à l'aide de cette technologie, qui doit avoir des propriétés mécaniques fiables (résistance, résistance à l'usure, flexibilité). Le principal avantage de cette technologie est le faible coût des consommables. Et le consommable lui-même est idéal pour le traitement post-imprimé des produits. Les produits obtenus par la méthode d'impression FDM3D sont généralement monochromes, solides et résistants, présentent un ensemble stable de caractéristiques physiques qui dépendent du type de matériau. Ils peuvent être résistants à la chaleur, à l'usure, avoir une flexibilité ou une ténacité accrue, etc.

La précision des modèles de construction utilisant la technologie FDM dépend en grande partie de l'épaisseur de la couche imprimée et de la précision du positionnement de l'extrudeuse par rapport à la plate-forme. Cette valeur peut être comprise entre 0,02 et 1,2 mm. La surface des objets finis est nervurée (échelonnée - dans la plage de 0,02 à 1,2 mm). Les nervures sont dues au fait que le fil fondu a une forme arrondie. Vous pouvez ajouter un lissage supplémentaire à la surface en utilisant le post-traitement.

La technologie FDM (Fused Deposition Modeling) consiste à créer des objets en trois dimensions en appliquant des couches successives de matière qui épousent les contours du modèle numérique.

Le cycle de production commence par le traitement d'un modèle numérique en trois dimensions. Le modèle au format .stl est divisé en couches et orienté de la manière la plus adaptée à l'impression. Des structures de support sont générées selon les besoins pour imprimer les éléments en surplomb. Un programme de contrôle pour une imprimante 3D est préparé dans un logiciel spécial.

Le modèle est réalisé par extrusion (« extrusion ») et application de thermoplastique fondu avec formation de couches successives qui se solidifient immédiatement après extrusion. La façon dont le matériau est extrudé est illustrée à la figure 18.

Figure 18 - Principe d'alimentation du plastique dans l'extrudeuse

Le filament plastique est déroulé de la bobine et est introduit dans l'extrudeuse - un dispositif équipé d'un entraînement mécanique pour remplir le filament, d'un élément chauffant pour faire fondre le filament et d'une buse à travers laquelle s'effectue directement l'extrusion. L'élément chauffant est utilisé pour chauffer la buse, qui à son tour fait fondre le filament et alimente le matériau en fusion à la surface de la table de travail (pour la première couche) ou à la couche précédente, en se connectant avec elle. Typiquement, le haut de la buse est, au contraire, refroidi par un ventilateur pour créer un fort gradient de température nécessaire pour assurer un écoulement régulier de la matière.

L'extrudeuse (également appelée "tête d'impression") se déplace horizontalement et applique progressivement la couche souhaitée, après quoi elle se déplace verticalement (le plus souvent en abaissant la table, mais il existe des modèles dans lesquels l'extrudeuse est surélevée) en fonction de l'épaisseur de la couche et de la Le processus est répété jusqu'à ce que le modèle ne soit pas entièrement construit.

Les imprimantes FDM utilisent des thermoplastiques comme matériaux d'impression, sous forme de filaments minces enroulés sur des bobines. La gamme des plastiques est très large. Certains des plastiques les plus populaires pour l'impression sont le PLA, l'ABS. Le PLA est un matériau fabriqué à partir de maïs ou de canne à sucre, ce qui le rend non toxique et respectueux de l'environnement, mais sa durée de vie est relativement courte. L'ABS est très durable et résistant à l'abrasion, bien qu'il soit sensible à la lumière directe du soleil et puisse dégager de petites quantités de fumées nocives lorsqu'il est chauffé.

En plus du PLA et de l'ABS, l'impression est possible avec du nylon, du polycarbonate, du polyéthylène et de nombreux autres thermoplastiques largement utilisés dans l'industrie moderne. Il est possible d'utiliser un matériau tel que l'alcool polyvinylique (PVA-plastique). Ce matériau est soluble dans l'eau, ce qui le rend très utile pour l'impression de modèles aux formes géométriques complexes.

Il est également possible d'utiliser des matériaux composites imitant le bois, les métaux, la pierre. De tels matériaux utilisent tous les mêmes thermoplastiques, mais avec des mélanges de matériaux non plastiques. Ainsi, Laywoo-D3 est composé à 40 % de poussière de bois naturel, ce qui permet d'imprimer des produits « bois », notamment des meubles.

Le matériau appelé BronzeFill est rempli de bronze véritable et les modèles fabriqués à partir de celui-ci se prêtent au meulage et au polissage, obtenant une grande similitude avec les produits en bronze pur.

L'élément de liaison dans les matériaux composites est le thermoplastique, qui détermine les seuils de résistance, de résistance à la chaleur et d'autres propriétés physiques et chimiques des modèles finis.

La FDM est l'une des méthodes d'impression les moins chères et est à l'origine de la popularité croissante des imprimantes grand public basées sur cette technologie. Dans la vie de tous les jours, les imprimantes 3D utilisant la technologie FDM peuvent être utilisées pour créer une grande variété d'objets spéciaux, de jouets, de bijoux et de souvenirs.

Les avantages de la technologie FDM incluent :

- facile à utiliser, de sorte que même les non-professionnels peuvent facilement gérer l'impression ;

- dans le processus de modélisation, des pièces de haute qualité sont créées avec des détails élevés de formes géométriques et de cavités complexes ;

- bon marché des consommables suffisant ;

- une large gamme de couleurs et de types de plastique.

Les inconvénients de cette technologie incluent :

- faible vitesse de travail (d'autres technologies ne peuvent pas non plus se vanter d'une vitesse de travail élevée. Il faut beaucoup de temps pour construire des modèles volumineux et complexes);

- une faible résolution à la fois horizontalement et verticalement, ce qui conduit à une stratification plus ou moins marquée de la surface du modèle fabriqué ;

- problèmes de fixation du modèle sur le bureau (la première couche doit coller à la surface de la plate-forme, mais pour que le modèle fini puisse être retiré). Ce problème peut être résolu de différentes manières : en chauffant le bureau ; lui appliquer divers revêtements;

- pour les éléments en porte-à-faux, la création de structures porteuses est nécessaire, qui doivent ensuite être supprimées. Même en tenant compte de cela, certains modèles ne peuvent tout simplement pas être fabriqués sur une imprimante FDM en un cycle et vous devez les casser en plusieurs parties puis les assembler par collage ou d'une autre manière.

Ainsi, pour de très nombreux échantillons réalisés à l'aide de la technologie FDM, des finitions plus ou moins complexes seront nécessaires, ce qui est difficile voire impossible à mécaniser, elle est donc principalement réalisée à la main.

Il existe également des inconvénients moins évidents, tels que la dépendance de la force vis-à-vis de la direction dans laquelle la force est appliquée. Ainsi, vous pouvez rendre l'échantillon suffisamment résistant pour la compression dans le sens perpendiculaire à la disposition des couches, mais pour la torsion ce sera beaucoup moins fort : la rupture est possible le long de la limite des couches.

Un autre point, à un degré ou à un autre, est inhérent à toute technologie associée au chauffage : c'est le retrait thermique, qui entraîne une modification de la taille de l'échantillon après refroidissement. Bien sûr, ici beaucoup dépend des propriétés du matériau utilisé, mais parfois, vous ne pouvez même pas concilier avec des changements de quelques dixièmes de pour cent.

La technologie peut sembler sans gaspillage seulement à première vue. Et il ne s'agit pas seulement de supporter des structures dans des modèles complexes, une grande quantité de plastique est gaspillée même par un opérateur expérimenté lors du choix du mode d'impression optimal pour un modèle particulier.

Même avec tant de problèmes, cette technologie est maintenant très populaire. Il ya un certain nombre de raisons à cela.

La raison principale et déterminante est le prix des imprimantes elles-mêmes et de leurs consommables. La première impulsion importante dans le processus de promotion des imprimantes FDM auprès des masses a été l'expiration des brevets en 2009. Ainsi, sur cinq ans, les prix de ces imprimantes ont baissé de plus d'un ordre de grandeur, et si l'on considère les extrêmes (les plus chères jusqu'en 2009 et les moins chères aujourd'hui), alors de deux ordres de grandeur : le prix des les imprimantes les moins chères fabriquées en Chine ne coûtent aujourd'hui que 300 à 400 dollars - cependant, l'acheteur sera très probablement immédiatement déçu par elles. Les imprimantes d'entrée de gamme décentes sont maintenant vendues plus près de 1200-1500 $.

Le deuxième facteur important a été l'émergence du projet RepRap, ou Replicating Rapid Prototyper - un mécanisme de prototypage rapide auto-réplicable. L'auto-reproduction concerne la fabrication de pièces pour une autre imprimante similaire sur une imprimante déjà fabriquée - bien sûr, pas toutes, mais uniquement celles qui peuvent être créées dans le cadre de cette technologie, tout le reste est à acheter. Et ce n'était pas le but du projet en lui-même : la tâche principale était de créer les modèles d'imprimantes les moins chers disponibles même pour les amateurs privés qui ne sont pas encombrés de trop d'argent, mais qui veulent s'essayer à l'impression 3D. De plus, tous les prototypes créés dans le cadre de RepRap n'étaient et ne sont toujours pas auto-réplicables (dans une partie notable de tous les détails).

Bien sûr, les imprimantes créées de cette manière sont souvent loin d'être parfaites même dans le cadre de la technologie FDM, mais elles vous permettent de créer un appareil entièrement fonctionnel avec des coûts financiers minimes. A noter : aujourd'hui, il n'est plus du tout nécessaire de chercher le propriétaire de l'imprimante pour imprimer d'éventuelles pièces, et de courir dans les magasins à la recherche du reste. Des kits complets pour l'auto-assemblage de l'imprimante, les soi-disant kits de bricolage (de "Do It Yourself" - do it yourself) sont proposés, qui vous permettent d'économiser considérablement de l'argent et d'éviter les tracas inutiles, et contiennent également des détails instructions de montage. Mais il y a de la place pour ceux qui ne veulent pas être enfermés dans le cadre de conceptions toutes faites et veulent y ajouter quelque chose qui leur est propre : il y a beaucoup de propositions pour tous les composants individuels pour de telles imprimantes.

Un autre côté positif du développement du projet RepRap est l'émergence et l'amélioration de divers logiciels permettant de travailler avec de telles imprimantes 3D, d'ailleurs librement distribuées. C'est une différence importante par rapport aux appareils produits par d'éminents fabricants, qui ne fonctionnent qu'avec leur propre logiciel.

En principe, le projet ne se limite pas à la technologie FDM, mais c'est jusqu'à présent le plus accessible, tout comme le matériau le plus abordable est le filament, qui est utilisé dans la grande majorité des imprimantes créées sur la base des développements RepRap.

L'adoption généralisée des imprimantes FDM a entraîné une augmentation de la demande de consommables pour celles-ci ; l'offre ne pouvait manquer de suivre la demande, et la même chose s'est produite qu'avec les imprimeurs eux-mêmes : les prix se sont effondrés. Si sur les anciennes pages Internet consacrées aux technologies FDM, on trouve des références à des prix au niveau de 2-3 et même plus de plusieurs centaines d'euros le kilogramme de filament. Désormais, partout où l'on parle de dizaines d'euros, et uniquement pour les nouveaux matériaux aux propriétés inhabituelles, le prix peut atteindre des centaines de dollars ou d'euros le kilogramme. Certes, si auparavant c'était principalement des matériaux "de marque" qui étaient vendus, maintenant un fil d'origine inconnue et de qualité incertaine est souvent proposé, mais cela accompagne inévitablement la popularité.

Outre le prix, les imprimantes FDM présentent d'autres avantages liés aux capacités de la technologie. Ainsi, il est très facile d'équiper l'imprimante d'une deuxième tête d'impression pouvant alimenter en filament à partir d'un matériau facilement amovible pour créer des supports dans des modèles complexes. En introduisant un colorant dans la fabrication du filament, vous pouvez obtenir des couleurs variées et très vives.

La technologie FDM permet de créer non seulement des modèles, mais aussi des pièces finales à partir de thermoplastiques standards, structurels et haute performance.

L'impression FDM bénéficie de la propreté, de la facilité d'utilisation et de l'adéquation au bureau. Les pièces thermoplastiques résistent aux températures élevées, aux contraintes mécaniques, à divers produits chimiques, aux environnements humides ou secs.

Les matériaux auxiliaires solubles permettent la création de formes complexes à plusieurs niveaux, de cavités et de trous qui seraient problématiques à obtenir avec les méthodes conventionnelles.

Pour l'impression utilisant la technologie FDM, deux matériaux différents sont utilisés - le premier (principal), qui sera constitué de la pièce finie, et l'auxiliaire, qui sert de support. Les filaments des deux matériaux sont acheminés des compartiments de l'imprimante 3D à la tête d'impression, qui se déplace en fonction des changements de coordonnées X et Y, et fusionne le matériau, créant la couche actuelle, jusqu'à ce que la base descende et la couche suivante commence.

Lorsque l'imprimante 3D a terminé la création de la pièce, il reste à séparer mécaniquement le matériau auxiliaire ou à le dissoudre avec un détergent, après quoi le produit est prêt à l'emploi.

Le filament peut être de deux diamètres standards : 1,75 et 3 mm. Bien entendu, ils ne sont pas interchangeables et le choix du diamètre requis doit être précisé en fonction du cahier des charges de l'imprimeur. Le plastique est fourni sur des bobines et est mesuré non pas en longueur, mais en poids. Pour les imprimantes FDM de certains fabricants (par exemple, CubeX de 3D Systems), vous devez acheter non pas des bobines, mais des cartouches spéciales avec filament, qui sont beaucoup plus chères au kilogramme, mais le fabricant garantit la qualité du matériau.

Pour chaque type de matériau, la température de fonctionnement à laquelle le matériau dans la tête d'impression doit être chauffé, et la température de chauffage de la table de travail (plate-forme) pour une meilleure adhérence de la première couche doivent être connues.

1.5 Conclusions du chapitre

L'impression 3D utilisant la technologie FDM s'est généralisée sur le marché russe il y a environ 5 ans. Pendant ce temps, il y avait une opinion que la production de produits utilisant la méthode d'impression FDM3D est de mauvaise qualité, longue et coûteuse. La formation du prix et du temps de production a été réduite à la formation de sites de production fonctionnant sur la base de procédés additifs, et le concept de qualité est purement la sélection de modes d'impression 3D. Nous avons étudié la technologie FDM de la manière la plus détaillée au moment de son adéquation en tant que production de produits finis et fonctionnels pour diverses industries, y compris l'ingénierie mécanique.

2 Étude de la relation entre les modes d'impression FDM et les caractéristiques de résistance d'un matériau polymère modèle

2.1 Modes d'impression 3D

Semblable à toute méthode de traitement dans la fabrication alternative, il existe des modes majeurs dans l'impression 3D. La qualité des produits résultants dépend de la façon dont les modes sont correctement sélectionnés. Ce n'est un secret pour personne que chaque modèle d'imprimante 3D a ses propres caractéristiques, il est donc impossible de dire sans équivoque quel mode convient pour imprimer le produit recherché. De plus, les consommables de différents fabricants ont souvent des propriétés différentes, même la couleur dans laquelle le polymère est peint affecte le résultat final. La formation d'un objet par la méthode d'impression FDM est illustrée à la figure 19.

Figure 19 - Formation d'un objet à l'aide de la technologie d'impression 3D FDM

Considérez les principaux modes d'impression 3D : température, vitesse, épaisseur de couche, paramètres du logiciel de l'imprimante.

Dans le fonctionnement d'une imprimante 3D, il devient nécessaire de régler différentes températures. L'un des indicateurs est la température de la première couche. La première couche est l'un des moments les plus cruciaux de l'impression 3D d'un produit, car la poursuite de l'impression de la pièce dépend en grande partie de la qualité, de l'uniformité et du respect de la géométrie requise du plastique placé sur la table de l'imprimante 3D. En règle générale, la température de la première couche ne diffère pas de manière significative de la température d'extrusion et fluctue dans les limites de 0 à 10 degrés de plus que la dernière. La température d'extrusion est choisie en fonction du matériau utilisé. La température d'impression recommandée est indiquée sur l'emballage en résine. Il est important de respecter les spécifications du fabricant pour éviter les défauts d'impression 3D causés par des températures mal sélectionnées. De tels défauts comprennent une extrusion insuffisante ou une surchauffe du plastique. La température optimale d'extrusion dépend du type de polymère utilisé. Pour un certain nombre de matériaux et d'imprimantes FDM les plus courants, les plages de température d'extrusion recommandées sont de 200 à 245 degrés Celsius. Le troisième paramètre de température qui affecte la qualité de l'impression 3D est la température de la table de l'imprimante 3D. Semblable aux dommages causés par la surchauffe du plastique, il s'agit d'un refroidissement nocif et inutilement rapide des couches du matériau. Afin d'éviter la déformation du modèle pendant le processus d'impression 3D, la table de l'imprimante est chauffée. Les températures auxquelles une table d'imprimante 3D est chauffée vont généralement de 50 à 110 degrés Celsius.

L'épaisseur de couche ou la hauteur de couche est un paramètre présélectionné dans le logiciel pour préparer les modèles à l'impression 3D. D'un point de vue tactile, la hauteur de la couche détermine la douceur de la pièce au toucher. Mais l'épaisseur de la couche peut affecter de nombreuses propriétés du produit imprimé, y compris la résistance du matériau polymère. Le phénomène de changement de résistance se produit en raison d'un changement d'adhérence intercouche lors du choix d'une hauteur de couche. En règle générale, l'épaisseur de couche des imprimantes FDM modernes varie de 0,02-1,2 mm. Les figures 20 et 21 montrent différentes épaisseurs de couche.

Figure 20 - Epaisseur de couche à des valeurs de 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm (de gauche à droite)

Figure 21 - Dépendance de la précision du trou latéral sur la hauteur de couche sélectionnée

Diamètre de la buse - Le diamètre du plus petit trou dans une buse d'imprimante 3D à travers lequel un consommable est extrudé. Le choix de ce paramètre détermine avec quelle précision l'imprimante 3D entrera dans les coins du modèle et à quel point le relief de la pièce sera dessiné. Cependant, il faut comprendre que si la buse est très fine, alors le risque de colmatage augmente et le temps d'impression 3D augmente, puisqu'une plus petite quantité de consommable peut être poussée à travers une buse fine qu'à travers une épaisse. En plus de cela, il convient de noter que plus le diamètre de la buse est grand, plus la plage de sélection d'un autre paramètre important, tel que la "hauteur de couche" est élevée. Par conséquent, le choix de ce paramètre est très important, il nécessite une sélection, une surveillance et un réglage constants.

Température de la buse - la température à laquelle la buse est chauffée afin de pouvoir extruder le thermoplastique dans d'autres modes sélectionnés (vitesse d'impression, vitesse d'avance, vitesse de rétraction, valeur de rétraction)

Taux d'alimentation - Un facteur qui ajuste l'alimentation du consommable pour maximiser la largeur de l'extrusion réelle. Dans le processus d'impression 3D utilisant la technologie FDM, il existe une régularité de conservation des volumes. Le plastique ne brûle pas, ne s'évapore pas, mais dans la même quantité que celle qui est entrée dans la buse, il est extrudé. Cependant, dans certains cas, la machine commence à "sous-écraser" ou à "serrer". De tels cas sont appelés "sous-extrusion" ou "sur-extrusion". Les raisons peuvent être multiples : colmatage partiel de la buse, calibrage incorrect des moteurs pas à pas, etc. Pour que l'imprimante 3D fonctionne correctement, ce paramètre doit être calibré. Pendant le processus d'impression, vous pouvez ajuster ce paramètre pour répondre à des exigences spécifiques.

Le débit d'air est un paramètre caractérisant l'intensité du ventilateur dirigé vers la zone d'extrusion. Lors de l'impression 3D, le plastique extrudé doit durcir, le plus vite sera le mieux, car la couche n'aura pas le temps de "flotter" nulle part. Cependant, pour certains matériaux, un flux d'air important est dangereux, car il refroidira excessivement le matériau et un délaminage des couches ou un détachement de la pièce de la plate-forme peut se produire. Le paramètre est défini en fonction du consommable.

Température de la table - La température à laquelle la plate-forme de l'imprimante 3D chauffe pendant l'impression 3D. Il est nécessaire pour une meilleure adhérence de la première couche, le travail d'un adhésif spécial appliqué sur la plate-forme. Aide à chauffer et à maintenir la température dans la chambre de l'imprimante 3D.

Rétracter - recul du plastique lors du déplacement de l'extrudeuse sans alimentation en matériau, par exemple, vers un nouveau périmètre. Si vous désactivez cette fonction, lors du déplacement, le matériau commencera à s'écouler et à tirer le fil avec lui, ce qui entraînera des conséquences négatives en termes de qualité. Deux paramètres sont responsables de la rétraction : la vitesse de rollback et la quantité de rollback. Si ces paramètres sont mal réglés, le plastique peut simplement être coupé ou versé hors de la buse. S'ajuste en fonction de la matière et de la vitesse de déplacement de l'extrudeuse.

Remplissage - la densité de l'espace intérieur de votre pièce lors de l'impression 6D. Le rapport de l'espace rempli sur l'ensemble du volume interne de la pièce [3]. Le principe du remplissage en impression 22D est clairement illustré sur la figure XNUMX.

Figure 22 - Différents pourcentages de remplissage avec la même épaisseur de paroi

Vitesse d'impression - la vitesse à laquelle l'extrudeuse se déplace lors de l'extrusion du plastique. Un paramètre tout aussi important pour garantir la qualité du modèle imprimé est la vitesse d'impression. Un exemple illustratif de l'influence de la vitesse d'impression sur la qualité d'un objet manufacturé est illustré à la figure 23.

Figure 23 - Influence de la vitesse d'impression 3D sur la qualité de surface

L'illustration montre qu'une vitesse d'impression 3D trop élevée rend la surface inutilisable (40 mm/s et 50 mm/s), alors qu'une vitesse d'impression trop faible n'apporte pas les performances requises. À de faibles vitesses d'impression, la qualité est acceptable, mais cela peut affecter négativement l'adhérence entre les couches (les couches inférieures refroidiront jusqu'à ce que l'extrudeuse atteigne à nouveau la boucle). La vitesse optimale selon la figure 1 pour une hauteur de couche donnée est de 30 mm/s. Il est à noter que ces vitesses d'impression optimales ne conviennent qu'à une certaine épaisseur de couche de matériau.

Vitesse de déplacement - la vitesse de déplacement de l'extrudeuse au moment où l'alimentation en matériau est coupée, par exemple, lors du roulage vers un nouveau périmètre. Il est réglé en plus avec l'accélération du mouvement. Plus le début du mouvement est pointu, mieux ce fait affectera la rupture du fil du thermoplastique coulant. Cependant, un démarrage très brusque peut entraîner un déplacement de la courroie, ce qui assure le déplacement de l'extrudeuse. Ce paramètre peut accélérer considérablement le processus d'impression 3D, mais vous devez comprendre avec précision les capacités et l'état de la machine afin de travailler avec ce paramètre au maximum.

Abaissement de la table lors du déplacement - il est nécessaire que l'extrudeuse ne touche pas la partie imprimée de l'objet lors du déplacement.

La trajectoire est programmée dans un logiciel spécial, où tous les paramètres d'impression ci-dessus et supplémentaires sont définis. La figure 24 montre un exemple d'application de matériau le long de différents chemins.

Figure 24 - Application de couches de matériau le long de différents chemins

2.2 Influence des modes d'impression 3D sur les caractéristiques de résistance du plastique ABS. Trouver des valeurs optimales

Le matériau obtenu par impression FDM peut avoir une structure différente, mais il sera nécessairement constitué d'un ensemble de volumes avec des fils posés de manière unidirectionnelle. Ceci est déterminé par les caractéristiques technologiques de la mise en œuvre de l'impression FDM. Par conséquent, afin de déterminer les propriétés de résistance du matériau obtenu par impression FDM, il est tout d'abord nécessaire d'étudier la résistance du matériau modèle avec des fils posés de manière unidirectionnelle. Afin d'évaluer les caractéristiques de résistance du matériau et l'anisotropie des propriétés, des tests doivent être effectués le long et dans le sens de pose des fils, ainsi que de tester les fils eux-mêmes pour comparaison avec les données du fabricant [7].

Pour tester les filaments obtenus par extrusion à travers la buse de l'extrudeuse d'une imprimante 3D, un filament d'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) de 1,75 mm PA-707 de la société taïwanaise POLYLAC CHI MEI CORPORATION a été utilisé comme matière première. Pour l'extrusion du filament expérimental, la même bobine a été utilisée que pour la fabrication des échantillons du matériau modèle [8]. Le filament a été extrudé à travers une buse de travail d'une imprimante 3D d'un diamètre de 0,4 mm. La vitesse de chargement des échantillons était de 10 mm/min. La figure 25 montre un croquis d'échantillons pour tester les filaments extrudés.

Figure 25 - Vue d'un échantillon pour tester les filaments extrudés

Le schéma du chargement du fil extrudé a la forme suivante (Figure 26), similaire au schéma du chargement des échantillons le long de la pose des fils.

Figure 26 - Schéma de chargement des échantillons de filament extrudé

Les résultats des tests ont montré que la résistance moyenne du fil extrudé (47,8 MPa) est proche des données de passeport pour le matériau (48,8 MPa), mais les valeurs de résistance du fil ont une large dispersion - de 38,8 à 90,5 MPa (tableau 1) ... L'allongement relatif moyen des fils à la limite d'élasticité (27,5%) est proche des données passeport du matériau (20%). Cependant, un certain nombre de filaments se décomposent presque fragiles, tandis que dans d'autres, l'allongement relatif approche les 100 %. L'étalement des caractéristiques de résistance et de déformation des filaments extrudés peut conduire à l'étalement de la résistance du matériau formé par l'impression FDM.

Tableau 1 - Résultats des tests de filaments obtenus par extrusion à travers la buse de la tête de travail d'une imprimante 3D

№ p / p	d0	d*	S0	S*	Рmax	Р*p	σ*p	σhc	l*	Δl	ε
	/mm/	/mm/	/mm2/	/mm2/	/ N /	/ N /	[MPa]	[MPa]	/mm/	/mm/	/% /
1	0,46	0,46	0,166	0,166	6,909	6,37	38,33	41,57	15,9	0,9	6,00%
2	0,47	0,29	0,173	0,066	7,889	5,98	90,53	45,47	29,2	14,2	94,67%
3	0,46	0,44	0,166	0,152	6,811	5,98	39,33	40,98	18,5	3,5	23,33%
4	0,45	0,44	0,159	0,152	6,703	6,17	40,58	42,15	16,9	1,9	12,67%
5	0,47	0,46	0,173	0,166	7,350	6,47	38,93	42,36	16,7	1,7	11,33%
6	0,45	0,35	0,159	0,096	7,056	5,49	57,06	44,37	21,1	6,1	40,67%
7	0,45	0,45	0,159	0,159	6,174	6,17	38,79	38,82	15,1	0,1	0,67%
8	0,44	0,43	0,152	0,142	6,272	5,88	41,45	41,25	15,7	0,7	4,67%
9	0,44	0,36	0,152	0,102	6,664	5,49	53,94	43,83	25,2	10,2	68,00%
10	0,46	0,45	0,166	0,156	7,301	6,08	39,09	43,93	16,9	1,9	12,67%

 

La forme et les dimensions des échantillons pour les essais de traction ont été prises conformément à GOST 11262-2017 Plastics. Méthode d'essai de traction. Pour la recherche, un échantillon du deuxième type a été sélectionné (Figure 27) [9].

Figure 27 - Croquis d'une éprouvette de traction

Le modèle 3D des pièces de test a été créé en CAO à partir d'Autodesk Inventor sur la base du dessin, puis converti au format .stl adapté à l'impression 3D (Figure 28).

Figure 28 - Modèle 3D d'un échantillon à tester conformément à GOST 11262-80 type 2

L'impression 3D vous permet de produire immédiatement des échantillons pour les tests de résistance à la traction, en contournant les étapes d'obtention d'une pièce principale et de découpe ultérieure d'échantillons à partir de celle-ci. La procédure de pose de filetage (code G) a été préparée dans le programme Simplify3D version 4.0 conformément à GOST 20999-83 « Dispositifs de commande numérique pour les équipements de travail des métaux. Codage des informations des programmes de contrôle "en tenant compte de l'emplacement des fils dans la partie travaillante de l'échantillon le long ou en travers de la direction d'étirement. Les figures 29 et 30 montrent la différence de position du modèle sur la table de l'imprimante 3D.

Figure 29 - Capture d'écran du programme Simplify3D avec la disposition des fils dans la partie travaillante de l'échantillon dans le sens de la tension

Figure 30 - Capture d'écran du programme Simplify3D avec la disposition des fils dans la partie travaillante de l'échantillon le long de la direction de tension

L'impression 3D a été réalisée à l'aide d'un monofilament en ABS + plastique fabriqué par StreamPlast, fourni selon les Conditions Techniques - TU 2291-001-24687042-2016. Conformément à ces spécifications, le monofilament doit avoir une résistance à la traction d'au moins 48 MPa et l'impression doit être réalisée dans la plage de température 220-250⁰L'impression FDM a été réalisée sur une imprimante 3D PicasoXPro avec un diamètre de buse d'extrusion de 0,4 mm. Avant impression, afin d'améliorer l'adhérence du matériau, la table a été recouverte d'un liant spécial de la marque The3D. La température de la table était de 110⁰C, et la température de la buse de l'extrudeuse est de 240⁰C.

L'impression a été réalisée selon trois modes :

Mode 1: à la vitesse de la buse de l'extrudeuse V_с= 30 mm / s et l'épaisseur de la couche de fil posée h_etc.= 100 µm ;

Mode 2: à la vitesse de la buse de l'extrudeuse V_с= 45 mm / s et l'épaisseur de la couche de fil posée h_etc.= 150 µm ;

Mode 3: à la vitesse de la buse de l'extrudeuse V_с= 60 mm / s et l'épaisseur de la couche de fil posée h_etc.= 200 µm ;

Les échantillons obtenus ont été testés pour la résistance à la traction à une vitesse d'étalement des pinces de la machine d'essai correspondant à 1 ± 0,5 mm / s (la vitesse minimale d'étalement des pinces de la machine d'essai, prévue par GOST 11262-80).

Les données expérimentales sur les résultats des tests du matériau obtenus par impression FDM à l'aide de plastique ABS, le long et à travers la pose des fils sont présentées à la figure 31.

Figure 31 - Dépendance de la résistance à la traction σр d'un matériau modèle avec pose longitudinale et transversale de fils, obtenue sous différents modes d'impression 3D

D'après les données présentées, on peut voir que la résistance à la traction du matériau obtenue par les trois modes d'impression 3D dans le sens de la pose des fils est proche dans ses valeurs et se situe au niveau de 30-44 MPa. Si nous utilisons les données du fabricant sur la résistance du monofilament utilisé dans l'impression FDM (48,8 MPa), ces valeurs sont alors environ 31% inférieures. Cependant, pour une comparaison plus correcte des niveaux de résistance de ces deux matériaux, il est nécessaire de préciser comment les conditions d'essai des monofilaments coïncident avec les conditions de leur chargement dans le matériau modèle.

La résistance du matériau modèle à travers les filaments est significativement plus faible et dépend plus fortement des modes d'impression FDM (Figure 31). La vitesse de la buse de l'extrudeuse en conjonction avec l'épaisseur de la couche appliquée affecte la force d'adhérence des filaments [10]. Cela est dû à la propagation de la chaleur de la buse dans le matériau. À une vitesse d'impression élevée, à un moment donné, moins de chaleur est transférée au plastique à un point particulier qu'à une faible vitesse. Si vous imprimez une petite couche à basse vitesse, trop de chaleur peut être dégagée. Cela augmentera l'adhérence, mais il y aura un risque de défauts d'affaissement du plastique. A l'inverse, si vous imprimez en 3D avec une couche plus épaisse à grande vitesse, la chaleur peut ne pas être suffisante pour former une bonne adhérence entre les filaments.

Cette hypothèse est confirmée par les données expérimentales obtenues (Figure 31). En mode 1 (la vitesse d'impression minimale et l'épaisseur de la couche posée), la résistance du matériau modèle à travers la pose des fils est minimale et s'élève à 7-15 MPa (72% de la résistance du matériau le long de la pose des fils), en mode 2 - 10-16 MPa (66% de la résistance du matériau le long de la pose des fils) et en mode 3 - 26-31 MPa (16% de la résistance du matériau le long de la pose des fils) fils).

Les échantillons du matériau modèle avec pose de fils longitudinale et transversale ont différents types de diagrammes de traction et de surfaces de rupture (Figure 32).

Figure 32 - Types de diagrammes de traction d'échantillons avec pose de fils transversale (gauche) et longitudinale (droite)

 

Si le diagramme de traction des éprouvettes avec tassement transversal des filaments a une forme caractéristique pour la rupture fragile, alors dans le diagramme de traction des éprouvettes avec tassement longitudinal des filaments, après une légère diminution de la force de traction, après avoir atteint un maximum, sa diminution progressive est observée jusqu'à moment de la rupture de l'éprouvette.

Les spécimens avec un garnissage fibreux transversal ont une surface de fracture absolument plate (Figure 33), tandis que les spécimens avec un garnissage fibreux longitudinal (Figure 34) ont une surface de fracture développée.

Figure 33 - Surface de destruction à travers la pose des fils

Figure 34 - Surface de destruction le long de la pose des fils

En examinant ces plis au microscope optique, on peut voir que la destruction du matériau avec la pose transversale des fibres se produit dans un plan (figure 35) le long de la surface des fils posés. La fracture du matériau modèle avec la pose longitudinale des fibres (Figure 36) a un caractère développé. La rupture se produit dans différents plans, et au niveau de la rupture, on observe à la fois des zones d'accumulation de dommages et des zones plates caractéristiques de la propagation principale de la fissure.

Figure 35 - Fracture de l'échantillon avec pose transversale des fils au microscope

Figure 36 - Fracture de l'échantillon avec pose longitudinale des filaments au microscope

2.3 Conclusion par chapitre

Sur la base des données obtenues, il est possible de tirer des conclusions intermédiaires sur la résistance du matériau modèle obtenu par impression FDM à l'aide de plastique ABS :

- les valeurs maximales de la résistance du matériau des échantillons lorsqu'elles sont testées le long de la pose des fils sont proches de la résistance des fils simples obtenus par extrusion de plastique à partir de la buse de travail d'une imprimante 3D ;

- avec une augmentation de la vitesse de la buse de l'extrudeuse et de l'épaisseur de la couche de polymère en cours de pose, la résistance du matériau des échantillons testés le long de la pose des fils diminue de 16% (de 41 MPa à 34 MPa) ;

- la plus grande variation des propriétés de résistance du matériau des échantillons lorsqu'elle est testée le long de la pose des fils est observée lorsque la vitesse de la buse de l'extrudeuse est égale à 45 mm/sec et l'épaisseur de la couche de fil déposé est égale à 150 microns;

- avec une augmentation de la vitesse de la buse de l'extrudeuse et de l'épaisseur de la couche de polymère à déposer, la résistance du matériau des échantillons testés à travers la pose des fils est presque triplée (de 10 MPa à 29,6 MPa) ;

- les échantillons de matériau modèle avec pose de fils longitudinale et transversale ont une nature et un type de surface de rupture différents. Les différents types de diagrammes des surfaces de tension et de rupture des éprouvettes à filaments transversaux et longitudinaux indiquent une différence dans les mécanismes qui se déroulent dans le matériau lorsqu'il est chargé ;

- avec une pose transversale, une surface de rupture absolument plate est observée au niveau du joint des filaments déposés et, par conséquent, la quantité d'adhérence entre eux est le facteur le plus important affectant la valeur de la résistance.

- dans le cas d'une pose longitudinale, la rupture du matériau a un caractère développé à la fois avec des zones d'accumulation de dommages et avec des zones de propagation principale des fissures.

- un matériau avec une disposition longitudinale de fils dans des études ultérieures doit être considéré comme un faisceau de fibres connectées, ce qui peut révéler les mécanismes de destruction d'un tel matériau.

- Le mode 3 s'est avéré être le plus réussi pour nous, car une vitesse d'impression élevée nous permet d'atteindre une bonne productivité, tandis que la force est comparable aux autres modes d'impression.

3 Mise en pratique des résultats de recherche obtenus par l'exemple de la fabrication de galets d'appui d'une hélice à chenilles

3.1 Développement de la technologie de fabrication des galets porteurs en plastique ABS

En analysant les chapitres précédents de cette note, on comprend que l'impression 3D est utilisée depuis longtemps en génie mécanique pour la fabrication de pièces. Nous avons testé des échantillons imprimés en 3D. Le résultat a montré que ces pièces sont comparables en résistance aux pièces en plastique moulé. En résumant le fait qu'il est possible de fabriquer des produits d'une gamme limitée par impression 3D et les caractéristiques de résistance du matériau obtenu par la méthode d'impression FDM, on peut affirmer que l'impression 3D convient à la fabrication de pièces de génie mécanique. Pour confirmer ou réfuter la théorie, nous avons pris comme base l'une des tâches réelles - la conception d'un rouleau de support pour un mécanisme à chenilles. Notre tâche consistait à créer un organigramme pour la fabrication d'un rouleau de support en utilisant des procédés additifs avec tous leurs avantages. Comme données initiales, on nous a fourni un rouleau existant, qui est fabriqué par d'autres types de production de métal. Pour mettre en œuvre ce projet, un grand nombre de processus technologiques ont été étudiés et un plan de mise en œuvre du projet a été élaboré : numérisation 3D, rétro-ingénierie, conception générative, optimisation de la topologie, analyse des contraintes et impression 3D.

3.2 Fabrication de galets supportant la voie à chenilles
3.2.1 Numérisation 3D

La numérisation 3D est une méthode d'obtention de données sur la forme et les dimensions d'un objet en représentation spatiale en enregistrant les coordonnées x, y et z de points sur la surface de l'objet et en convertissant un ensemble de points en un modèle géométrique électronique à l'aide d'un logiciel spécialisé [12 ].

Nous avons utilisé un scanner RangeVision Spectrum pour créer un modèle 0,17D et prendre les dimensions réelles de la vidéo originale. Avec les dimensions du rouleau, l'erreur de mesure n'était pas supérieure à 3 mm. Ci-dessous, un nuage de points capturé par un scanner 36D (Figure 37) et un modèle pré-traité avec des scans cousus (Figure XNUMX).

Figure 36 - Nuage de points après numérisation 3D

Figure 37 - Modèle 3D pré-cousu après numérisation 3D

3.2.2 Rétro-ingénierie

Le processus d'ingénierie inverse consiste en un « enroulement » séquentiel d'un nuage de points et d'un modèle tridimensionnel polygonal avec des surfaces définies par des formules, à la suite desquelles un modèle 3D solide apparaît.

Pour le processus de rétro-ingénierie, nous avons utilisé les logiciels AutoDeskInventor et Fusion360. Les figures 38 et 39 ci-dessous montrent des captures d'écran du programme avec le modèle 3D résultant de la vidéo.

Figure 38 - Résultat de la rétro-ingénierie

Figure 39 - Modèle solide du rouleau au format .stp

Vous trouverez ci-dessous également un dessin du rouleau de support d'origine basé sur le modèle 3D résultant (Figure 40).

Figure 40 - Dessin de la vidéo originale

3.2.3 Conception générative

Pour réduire la masse d'une pièce dans le domaine de l'impression 3D, la conception générative est utilisée - il s'agit d'une approche de la conception de produits qui consiste à apporter des modifications à la conception ou à la pièce, en remplaçant le matériau solide par des éléments simples de toute forme se répétant en volume, afin de réduire la masse du produit, à condition que la résistance fournie lui soit imposée [11].

L'idée de la conception générative est d'éliminer l'excès de matière dans des conditions de chargement spécifiques, car l'impression 3D permet de fabriquer des produits de presque toutes les formes. L'utilisation de l'impression 3D rend la conception générative réalisable et possible, puisqu'il n'est possible d'obtenir une forme donnée qu'avec cette méthode.

La conception générative a été réalisée à l'aide du programme AltairOptiStruct, les conditions de fonctionnement de la pièce ont été intégrées au programme.

Conditions de fonctionnement des rouleaux :

Suivre la vitesse sans glisser	15 m / s
Charge du rouleau	42 kg
Matériau du rouleau	ABS StreamPlast

Les figures ci-dessous montrent les variations dans la création d'une conception de produit générative (Figure 41)

Figure 41 - Un exemple de conception générative de diverses variantes

Pour le modèle 3D rétro-conçu du rouleau de support, une conception générative a été réalisée dans le but de restructurer pour réduire la masse du rouleau. Le résultat est représenté sur la figure 42, une coupe du modèle obtenu en mode automatique est représentée sur la figure 43.

Figure 42 - Le résultat de la sélection de la conception générative du rouleau de support en mode automatique

Figure 43 - Coupe d'un modèle 3D d'un rouleau de conception générative

3.2.4 Optimisation de la topologie de surface et de la structure du maillage

Le programme a créé un modèle 3D conformément aux données fournies, mais plus tard, il s'est avéré que le modèle résultant n'était pas adapté à l'impression FDM en raison de sa forme sous-optimale. Ensuite, le modèle après la conception générative est modifié manuellement. De tels changements sont appelés optimisation de la topologie - il s'agit d'un processus de conception de produits, qui consiste à apporter des modifications à une structure ou à une pièce avec la création de nouvelles limites du volume corporel et la suppression de celles existantes, afin de l'optimiser en fonction aux critères de minimisation de la masse, de la rigidité maximale et du spectre de fréquences naturelles, tout en maintenant les exigences de résistance qui lui sont fournies. [11] Un exemple d'optimisation de la topologie est illustré à la Figure 44. En règle générale, cela se produit dans le système de CAO AutoCAD Inventor : un spécialiste corrige les parties nécessaires d'un modèle 3D et l'envoie pour un traitement ultérieur.

Figure 44 - Un exemple d'optimisation de topologie après une conception générative

Le rouleau de support a également été soumis à une optimisation manuelle de la topologie (Figure 45), et un dessin du modèle optimisé a été obtenu (Figure 46).

Figure 45 - Rouleau de support après optimisation de la topologie

Figure 46 - Dessin de la vidéo après optimisation de la topologie
Avec la conception générative, la préparation de la structure interne du matériau est caractéristique. La structure interne peut être spécifiée en nid d'abeille, en treillis ou en structure spéciale (Figure 47). Ansys Mechanical a été utilisé pour définir la structure interne des vides des rouleaux de support.

Figure 47 - Un exemple de structures de maillage lors de l'optimisation de la topologie

Lors de la formation d'une structure alvéolaire, le programme recommandait d'utiliser une épaisseur de paroi de 2 mm et de poser une structure alvéolaire à l'intérieur, pratique du point de vue de l'impression 3D poudre, mais pas pratique pour l'impression 3D utilisant la technologie FDM. Il a été décidé de former la structure des vides à l'intérieur de la pièce directement dans le logiciel pour préparer un programme de contrôle pour une imprimante 3D avec des données similaires obtenues à partir du programme Ansys Mechanical (Figure 48).

Figure 48 - Structure de maillage définie manuellement dans le logiciel Simplify3D

3.2.5 Analyse des contraintes

Sur la base du modèle 7,42D final, une analyse des contraintes a été effectuée dans le programme AutoDeskInventor. Les rapports d'analyse sont présentés dans l'annexe A, l'annexe B, l'annexe C, l'annexe D. Le programme n'a pas pris en compte les facteurs de vibrations, de frottement et de température comme données initiales, donc un facteur de sécurité important était nécessaire pour prendre en compte tous les facteurs possibles. En analysant les données, nous pouvons voir que le facteur de sécurité instantané minimum est de 296. Dans le même temps, le rouleau pèse XNUMX grammes, ce qui est presque deux fois moins que si nous imprimions le rouleau sans optimiser la topologie de la surface et n'utilisaient pas de technologies de conception générative.

3.2.6 Production d'un lot pilote

Après avoir reçu le modèle final répondant à tous les critères, vous pouvez préparer un programme de contrôle pour une imprimante 3D. Les programmes de contrôle peuvent être soit regroupés avec le logiciel de l'imprimante 3D, soit achetés séparément pour spécifier les paramètres d'impression plus en détail. Dans ce cas, le code G a été préparé dans le programme Simplify3D. L'impression a été réalisée sur des imprimantes 3D PicasoDesignerXPro. Le diamètre de la buse était de 0.4 mm, la hauteur de couche était de 0,2 mm et la vitesse d'impression était de 60 mm/sec. Après l'impression 3D, les rouleaux (Figure 49) ont été installés et testés pour une durée de vie complète de 3 mois. Après des tests réussis, un lot de produits a été vendu (Figure 50).

Figure 49 - Rouleaux finis pour essais sur machines

Figure 50 - Partie d'un lot de rouleaux de support finis

3.3 Conclusions du chapitre

Un organigramme a été créé pour la fabrication d'un produit fonctionnel fini par la méthode de fabrication additive utilisant la technologie FDM en utilisant des méthodes de conception générative et d'optimisation de la topologie. En pratique, la possibilité de mettre en œuvre les résultats de recherche obtenus a été vérifiée par l'exemple de la fabrication des rouleaux de support d'une hélice à chenille. Un lot pilote de rouleaux a été réalisé, destiné à fonctionner dans le délai convenu de 3 mois.

CONCLUSION

Sur la base de ce qui précède, nous arrivons à la conclusion que l'impression 3D est une technologie largement applicable dans divers domaines, y compris le génie mécanique. Nous avons fait une hypothèse et montré la possibilité d'utiliser la technologie d'impression FDM3D pour la fabrication de produits d'ingénierie mécanique fonctionnelle.

Des études de résistance du matériau du modèle formé par la méthode d'impression 3D ont été réalisées et comparées aux spécifications fournies par les fabricants de consommables.

En appliquant l'approche du durcissement par conception générative et optimisation de la topologie, nous avons pu réduire considérablement le poids du produit, tout en maintenant les caractéristiques mécaniques requises dans les conditions de charge requises dans le cahier des charges du client.

Toutes les données calculées de l'étude dans la pratique ont été confirmées.

LISTE DES SOURCES UTILISÉES

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2. Valetov V.A. Technologies additives (état et perspectives). Didacticiel. Saint-Pétersbourg : Université ITMO, 2015 p.
3. Shkuro A.E., Krivonogov P.S. Technologies et matériaux d'impression 3D. Ekaterinbourg : Oural. Etat génie forestier. un-t. 2017 p.
4. Sergueïev A.N. Imprimantes 3D en médecine - domaine d'application et perspectives de développement de l'impression [Ressource électronique] // Revue de vulgarisation scientifique. 2017 avril. URL : https : //www.sciencedebatecom/25d-printery-v-meditsine-oblast-primeneniya-i-perspektivy-razvitiya-pechati/#3 (date de consultation : 2)
5. Камоничкин Д.Т. 3Д-печать хирургических шаблонов [Электронный ресурс] // Сайт центра аддитивного производства. 2018. 15 марта. URL: https://studia3d.com/hirurgshablon/ (дата обращения: 30.04.2019)
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