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Post-traitement des pièces AM : Quelle méthode convient à mon application ?

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« Complexité gratuite » – cette promesse bien connue de la fabrication additive (AM) représente l’un des plus grands défis pour la finition des composants AM. Ceci est d’autant plus vrai que le traitement de surface, tout comme le processus d’impression lui-même, a une influence significative sur la qualité finale de la pièce finie. Il est donc nécessaire de connaître les avantages et les inconvénients des nombreuses méthodes de finition de surface appliquées aux composants AM afin d’en tirer pleinement parti et d’en tenir compte dès la phase de conception de la pièce. Dans ce contexte, un rôle décisif n’est pas seulement joué par la qualité de surface ou la rentabilité que l’on peut obtenir, mais aussi, dans de nombreux cas, par l’impact sur les propriétés mécaniques telles que la résistance à la fatigue. Plusieurs études du Fraunhofer IAPT se concentrent donc spécifiquement sur le post-traitement de composants AM métalliques complexes et fournissent des aides à la décision orientées vers les applications afin d’accélérer encore l’industrialisation de la fabrication additive.

Les défis du post-traitement des composants métalliques fabriqués de manière additive

Le terme collectif « fabrication additive » couvre un grand nombre de procédés différents permettant de générer des composants couche par couche. La variante la plus établie dans le secteur des métaux est la fusion sur lit de poudre par faisceau laser (LB-PBF). Contrairement à la fabrication conventionnelle, aucune contrainte importante n’est généralement imposée à la conception des pièces par des contre-dépouilles, des structures complexes ou des canaux internes. En revanche, la fabrication est limitée en termes de résolution, déterminée par l’épaisseur de la couche (généralement comprise entre 20 et 60 µm) et la largeur du bain de fusion. La qualité de la surface obtenue peut être fortement influencée par la résolution et l’effet d’escalier qui en résulte, ainsi que par les différences dans l’équilibre thermique pendant l’impression ou l’ajout de structures de support. Un composant AM présente donc généralement une surface très hétérogène avec différents niveaux de rugosité dans différents segments de la pièce. En outre, la complexité potentielle de la pièce constitue souvent un énorme problème pour la finition de la surface en termes d’accessibilité pour les abrasifs ou autres moyens ablatifs. L’hétérogénéité de la surface et la liberté de conception des composants AM sont donc les plus grandes exigences en matière de performance et de flexibilité des méthodes de post-traitement.

Quelle méthode de post-traitement convient à mon application ?

Fraunhofer IAPT, Hambourg, s’est fixé pour objectif de développer une vue d’ensemble complète des forces et faiblesses des solutions actuelles du marché pour le lissage de surface des composants AM. L’étude sur la finition de surface du Fraunhofer IAPT a évalué en profondeur un large éventail de huit méthodes de post-traitement différentes, représentant la multitude de solutions techniques différentes. Trois démonstrateurs de géométrie ont été développés avec une variété de formes différentes pour répondre à diverses caractéristiques clés et les rendre conformes aux applications réelles d’impression 3D. Les démonstrateurs ont permis une évaluation approfondie de sept critères principaux, à savoir la rugosité de surface, la dureté, le taux d’ablation, l’arrondi des bords, la profondeur de pénétration, la lisibilité et les coûts.

Three demonstrator designs with different geometry features.

Les trois modèles de démonstrateurs avec des caractéristiques géométriques différentes (figure 1). Image reproduite avec l’aimable autorisation de Fraunhofer IAPT.

Trois des alliages les plus utilisés pour l’impression LB-PBF – AlSi10Mg (aluminium), 1.4404 (acier) et TiAl6V4 (titane) – ont été étudiés pour déterminer les différences spécifiques aux matériaux. Au total, plus de 100 pièces d’essai ont été imprimées, 17 000 mesures de segments ont été effectuées, 700 heures de travail ont été consacrées aux mesures et tous les résultats ont été résumés dans un rapport de 120 pages. Comme le montre la figure 2, ce rapport donne un aperçu clair des performances de chaque méthode pour les critères étudiés pour les trois matériaux. En outre, il fournit des données détaillées sur les qualités de surface obtenues.

Surface quality of titanium parts post-processed by abrasive blasting

Qualité de surface de pièces en titane post-traitées par sablage (figure 2). Image reproduite avec l’aimable autorisation de Fraunhofer IAPT.

La figure suivante fournit des informations détaillées sur les performances de chaque méthode de post-traitement, révélant clairement de grands écarts dans les valeurs de rugosité obtenues. Les résultats dépendent également fortement de la surface observée. Cet extrait est un exemple du contenu de l’étude et indique les différences claires entre les surfaces internes et externes, illustrant l’accessibilité pour les médias de lissage respectifs et donc aussi l’adéquation d’une méthode de finition pour des géométries et des caractéristiques spécifiques. Il est également démontré que les surfaces des pièces en titane peuvent être considérablement améliorées en choisissant un procédé de finition approprié. Alors que le sablage conventionnel a déjà réduit la rugosité de surface de plus de 50 % à environ 7 µm [Sa moyen], d’autres procédés ont permis d’atteindre une rugosité de surface de moins de 1 µm.

Roughness data for titanium parts of specific surface areas with eight different post-processing methods.

Données de rugosité pour des pièces en titane de surfaces spécifiques avec huit méthodes de post-traitement différentes (Figure 3). Image reproduite avec l’aimable autorisation de Fraunhofer IAPT.

Comment la qualité de la surface influence-t-elle les propriétés de mes pièces ?

Mais comme l’apparence n’est pas tout, une deuxième étude (Additive Fatigue Study) a également examiné l’influence de différentes méthodes de finition de surface sur les propriétés mécaniques des composants AM, avec un accent particulier sur la performance en fatigue. Cette deuxième étude a observé que le comportement en fatigue des matériaux sélectionnés (TiAl6V4, IN718 [Inconel]) n’est pas toujours en corrélation directe avec la qualité de surface mesurée. Les raisons incluent certaines caractéristiques de surface et de processus qui ont spécifiquement influencé la résistance à la fatigue. Par exemple, il a été démontré que certaines méthodes de finition pouvaient augmenter la résistance à la fatigue de plus de 80 %. D’autre part, les performances de finition obtenues par d’autres méthodes de finition étaient encore pires que la surface telle qu’elle était construite. Cela souligne combien il est important de choisir les bonnes méthodes de finition lorsque l’on exige une ingénierie et des performances de surface précises.

Excerpt from the results of the Additive Fatigue Study.

Extrait des résultats de l’étude sur la fatigue additive (figure 4). Image reproduite avec l’aimable autorisation du Fraunhofer IAPT.

Ces résultats et de nombreux autres sont disponibles dans les études Fraunhofer IAPT, ainsi que l’évolutivité du processus et la classification des coûts. Fruit d’une élaboration indépendante et transparente, elles visent à fournir une aide à la décision facilement compréhensible pour tous les utilisateurs de la fabrication additive, les concepteurs, les ingénieurs de développement et de production.

Pour plus d’informations, veuillez contacter M.Sc. Maximilian Kluge, Fraunhofer IAPT, responsable des matériaux et de la finition, à l’adresse surface.finishing@iapt.fraunhofer.de.

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