Pourquoi les pièces rétrécissent-elles pendant l’impression 3D ?

Le processus de fabrication de filaments fondus (FFF) repose sur la fusion et le refroidissement rapides du filament plastique pour consolider la géométrie conçue. Comme la plupart des matériaux, les polymères se dilatent lorsqu’ils sont exposés à la chaleur et le degré de dilatation est une propriété intrinsèque du matériau connue sous le nom de coefficient de dilatation thermique (CDT).

Si vous augmentez la température du polycarbonate et du nylon de 50°C, vous observerez une plus grande expansion du nylon en raison de son CDT plus élevé. Inversement, si le polycarbonate et le nylon sont refroidis de 50°C, vous observerez un rétrécissement plus important dans le nylon par rapport au polycarbonate, comme le montre la figure ci-dessous.

Nous pouvons constater qu’un certain degré de rétrécissement est inévitable puisque les polymères doivent refroidir de la température d’extrusion à la température ambiante. Cet effet est plus prononcé pour les polymères à haute performance tels que le PEEK, le PEKK et l’ULTEM™. Lorsque ces polymères se refroidissent en dessous de leur température de transition vitreuse, leur rigidité augmente. En raison de cette rigidité accrue, les contractions thermiques sont inhibées, ce qui entraîne une contrainte résiduelle.

Le rétrécissement dans la fabrication additive peut également se produire en raison de la cristallisation des polymères semi-cristallins tels que le PLA, le PA (nylon), le PEEK et le PEKK. Le graphique ci-dessous illustre ce rétrécissement, montrant une diminution du volume spécifique (volume par unité de masse) lorsque le polymère est refroidi en dessous de sa température de fusion.

En revanche, les polymères amorphes ne cristallisent pas et présentent plutôt une diminution progressive due à la contraction thermique susmentionnée. La formation de cristaux entraîne une forte diminution du volume spécifique qui, à son tour, rétrécit le polymère imprimé.

Le rétrécissement contribue directement à la contrainte résiduelle dans les pièces imprimées en 3D. Mais qu’est-ce que la contrainte résiduelle exactement et comment affecte-t-elle la performance des pièces imprimées ? Dans les sections suivantes, nous examinons comment la contrainte résiduelle se produit pendant l’impression 3D et nous indiquons comment la réduire.

Qu’est-ce que la contrainte résiduelle et pourquoi se produit-elle ?

La chaleur est apportée dans les pièces imprimées en 3D de manière continue depuis la surface supérieure en raison du processus couche par couche. Les couches situées sous la couche nouvellement déposée se refroidissent par rapport à la température d’extrusion et la chaleur est transférée de la couche supérieure de trois manières :

• Transfert de chaleur par conduction vers la couche refroidie située en dessous
• Transfert de chaleur par convection vers l’air autour de la pièce
• Transfert de chaleur par rayonnement au reste de la pièce et à la chambre de fabrication

La couche supérieure perdant rapidement de la chaleur, elle commence à se rétrécir. Mais comme la couche supérieure est contrainte par les couches inférieures précédentes, elle ne peut pas se rétracter ou se déformer complètement. La contrainte résiduelle se produit lorsqu’un matériau a la propension à se rétracter mais est physiquement limité.

Maintenant, si vous retirez cette pièce de la plaque de construction, vous remarquerez immédiatement que les bords se recourbent. Cela se produit parce que la pièce n’est plus contrainte à la plaque de construction et est libre de se déformer, ce qui relâche la contrainte résiduelle. Plus la contrainte résiduelle est élevée, plus la déformation des pièces imprimées est importante et plus la résistance des couches est faible.

Avant de suggérer des améliorations pour la précision dimensionnelle et les propriétés mécaniques des pièces imprimées, nous allons d’abord comprendre pourquoi la résistance des soudures entre couches est faible dans l’impression 3D.

Quelles sont les causes d’une mauvaise adhésion entre les couches ?

Si vous êtes familier avec l’impression 3D, vous avez peut-être entendu dire que les pièces imprimées en 3D par FFF sont les plus faibles le long de la direction Z (hauteur). La façon dont les pièces sont découpées et le matériel utilisé pour imprimer la pièce ont tous deux un effet considérable sur les propriétés de l’axe Z. Nous examinons ici les raisons de la faible résistance des soudures de couches et la manière dont nous pouvons améliorer les propriétés pour qu’elles correspondent à celles des polymères moulés par injection.

Les propriétés mécaniques de tous les polymères, qu’ils soient amorphes ou semi-cristallins, sont affectées par la hauteur de couche sélectionnée lors du tranchage du modèle. L’exemple ci-dessous montre des pistes imprimées avec une hauteur de couche de 0,2 mm et de 0,4 mm avec un diamètre de buse de 0,4 mm.

Lorsque la hauteur de couche choisie est inférieure au diamètre de la buse, la bille déposée est écrasée. Cela permet au polymère de s’étendre, créant ainsi une plus grande surface de liaison pour les couches imprimées. Une plus grande surface permet à un plus grand nombre de chaînes de polymère d’interagir entre les couches, ce qui augmente la résistance de la soudure entre les couches.

En outre, les billes écrasées sont de forme plus rectangulaire, ce qui diminue la taille des pores entre les lignes déposées. Les pores sont préjudiciables aux propriétés mécaniques des polymères imprimés car ils sont les sites où commence la délamination. Le réglage de la largeur d’extrusion sur les logiciels de découpage doit également être modifié pour s’assurer que ces tailles de pores sont minimisées.

Pour augmenter encore la résistance des soudures entre les couches, il faut utiliser le bon matériel. Lorsqu’une pièce est créée en couches, les chaînes de polymère à la surface de chaque couche sont initialement déconnectées. Pour favoriser l’interaction entre les couches, il faut de la chaleur afin de mobiliser les chaînes de polymère.

Heureusement, le processus d’impression 3D fournit de la chaleur lorsqu’une nouvelle couche est déposée. La chaleur est transférée aux couches précédentes, ce qui améliore la migration et l’interpénétration des chaînes de polymères.

Ici, la vitesse et la largeur d’extrusion choisies jouent un rôle important ; il est essentiel de régler la vitesse pour garantir un transfert de chaleur suffisant et la largeur d’extrusion pour minimiser les pores. Mais souvent, surtout pour les polymères à haute performance comme le PEEK, le PEKK et l’ULTEM, la chaleur de l’extrusion ne suffit pas. Par conséquent, un volume de construction chauffé est nécessaire pour favoriser le mouvement des chaînes de polymère entre les couches et pour maximiser les propriétés mécaniques des pièces dans l’axe vertical.

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Comment réduire le rétrécissement, la contrainte résiduelle et la mauvaise adhérence des couches ?

La clé est d’établir une distribution uniforme de la température pendant le processus d’impression. Comme ces trois phénomènes sont induits par la chaleur, des variations de température plus faibles sur la pièce réduiront le gauchissement et les contraintes résiduelles.

Pour minimiser le gauchissement et s’assurer que les propriétés des polymères haute performance sont maximisées, une chambre de fabrication chauffée est nécessaire. Les chambres de fabrication chauffées qui peuvent dépasser 120°C sont optimales pour maximiser les propriétés des thermoplastiques à haute température.

Les imprimantes telles que l’AON M2+ permettent une distribution homogène de la température dans le volume de construction et permettent aux couches de rester suffisamment chaudes pour que la migration des chaînes de polymères augmente la résistance de la soudure des couches.

En outre, une circulation d’air convective soigneusement étudiée garantit le maintien de la stabilité thermique et sa répartition dans le volume d’impression afin d’éviter les déformations et les contraintes résiduelles localisées.