Méthodes courantes de post--traitement et de finition des pièces métalliques imprimées en 3D

Les pièces métalliques imprimées en 3D quittent rarement la chambre de fabrication dans leur état final utilisable. Comme-les surfaces imprimées portent généralement des lignes de couche visibles, des particules de poudre frittées ou partiellement fondues et des marques témoins de structure de support-qui doivent être traitées avant qu'une pièce ne soit prête pour une utilisation fonctionnelle, un assemblage ou une présentation esthétique. Les méthodes de finition courantes pour les pièces métalliques imprimées en 3D comprennent le ponçage manuel, le sablage, le culbutage, le meulage vibratoire/centrifuge, l'usinage par flux abrasif (affûtage par extrusion), la galvanoplastie et l'électropolissage, ainsi que l'usinage de précision, le meulage et l'EDM (usinage par décharge électrique). Les spécificités de chaque méthode sont décrites ci-dessous.

Le ponçage utilise des outils tels que du papier de verre et des limes pour abraser mécaniquement la surface d'une pièce directement à la main, ce qui peut améliorer considérablement la rugosité de la surface. Les pièces poncées peuvent voir la finition de surface s'améliorer d'un facteur de trois à cinq, et la méthode est particulièrement efficace pour éliminer les lignes de couche, les arêtes vives et autres défauts de surface localisés laissés par le processus d'impression. Le ponçage manuel est flexible - un opérateur peut concentrer son attention exactement là où elle est nécessaire, en travaillant autour d'une géométrie complexe que les processus automatisés peuvent avoir du mal à atteindre -, mais cela demande relativement beaucoup de main d'œuvre-et est lent. Pour cette raison, il a tendance à être mieux adapté aux petits lots de production ou à la finition ciblée et localisée sur des caractéristiques spécifiques d'une pièce plutôt qu'au traitement global d'une série de production entière.

Le sablage utilise de l'air comprimé pour propulser un milieu abrasif - d'oxyde d'aluminium, des billes d'acier inoxydable ou des billes de verre, entre autres options - sur la surface d'une pièce à grande vitesse, produisant une finition mate ou brillante uniforme selon le support sélectionné. Ses avantages incluent :

Élimination rapide des rayures de surface et des marques d'outils laissées par le processus de construction ;

Aucun changement dans la précision dimensionnelle d'une pièce, le traitement étant généralement terminé en quelques minutes seulement ;

Intensité de traitement réglable grâce au contrôle de la pression de l'air - une pression plus faible peut être utilisée pour modifier la couleur et l'apparence de la surface, tandis qu'une pression plus élevée permet l'ébavurage des arêtes vives et des petites saillies.

Le sablage est bien adapté au traitement par lots de pièces aux géométries complexes, car le motif de pulvérisation peut atteindre les creux et autour des contours qui seraient difficiles d'accès avec des outils abrasifs rigides, ce qui en fait l'une des méthodes de finition les plus polyvalentes et les plus largement utilisées pour les pièces métalliques de FA.

Le culbutage place les pièces avec un support abrasif - tel qu'un support en céramique ou un support en acier - à l'intérieur d'un tambour ou d'un baril rotatif, où le frottement mécanique entre les pièces et le support lisse la surface au fil du temps. Les principales caractéristiques de cette méthode comprennent :

Il est particulièrement adapté aux pièces aux géométries relativement simples, telles que les composants cylindriques ou en forme de bloc-, où l'action de culbutage peut établir un contact constant sur la surface ;

Plusieurs pièces peuvent être traitées simultanément, ce qui confère au procédé un débit relativement élevé pour la finition par lots ;

Son efficacité sur les surfaces internes ou les structures complexes est limitée, car le support de culbutage peut ne pas être en mesure d'atteindre les canaux internes, les creux profonds ou les structures en treillis complexes -, une réelle contrainte étant donné la fréquence à laquelle la FA métallique est utilisée précisément pour produire de telles géométries internes.

La rectification vibratoire et centrifuge utilise des disques centrifuges ou des systèmes cylindriques, dans lesquels la force centrifuge entraîne des médias abrasifs contre la surface de la pièce pour fournir une finition à haute-énergie et-volume élevé. Ses principaux avantages comprennent :

Enlèvement rapide de la matière, ce qui le rend bien adapté aux opérations de polissage, d'ébavurage et d'arrondi des bords ;

Convient au traitement par lots de petites pièces, bien que l'équipement spécialisé impliqué entraîne un coût initial comparativement plus élevé que les méthodes plus simples comme le ponçage ou le culbutage.

Étant donné que le processus concentre l'énergie plus intensément que le culbutage standard, il peut réaliser en quelques minutes ce qu'un culbutage conventionnel pourrait prendre des heures, ce qui le rend attrayant pour les environnements de production où le débit compte autant que la qualité de la surface.

L'usinage par flux abrasif, également connu sous le nom d'affûtage par extrusion, utilise un piston hydraulique pour forcer un support abrasif visqueux - chargé de fines particules abrasives - d'avant en arrière à travers les surfaces internes d'une pièce, telles que des trous, des canaux ou des cavités, obtenant ainsi une mise en forme précise de l'intérieur vers l'extérieur. Les caractéristiques de cette méthode comprennent :

Contrôle précis de la géométrie de la surface interne, capable de former des rayons cohérents ou d'éliminer les bavures des passages internes ;

L'applicabilité aux régions dans lesquelles les processus de polissage traditionnels sont difficiles, voire impossibles, à atteindre - canaux internes et cavités complexes en est un excellent exemple, et un domaine dans lequel l'impression 3D métallique produit fréquemment une géométrie à laquelle la finition conventionnelle ne peut tout simplement pas accéder ;

Enlèvement de matière contrôlable, bien que le temps de traitement ait tendance à être plus long qu'avec les méthodes de surface mécaniques, car le flux abrasif doit traverser la pièce à plusieurs reprises pour obtenir la finition souhaitée.

La galvanoplastie utilise un courant électrique pour déposer des ions métalliques provenant d'une solution - telle que l'or, l'argent ou le chrome - sur la surface d'une pièce, formant une fine couche fonctionnelle ou décorative. Ses principaux objectifs incluent l'amélioration de la résistance à l'usure, à la corrosion, à la conductivité électrique et à l'apparence générale, ce qui en fait un choix courant lorsqu'une pièce métallique de fabrication additive a besoin de propriétés fonctionnelles allant au-delà de ce que le matériau imprimé de base seul peut fournir.

L'électropolissage, en revanche, utilise un courant électrique pour dissoudre le matériau de la surface d'une pièce, réduisant ainsi la rugosité de la surface en lissant les pics et les creux microscopiques. Il est particulièrement bien adapté au polissage de pièces de formes irrégulières, où les outils de polissage mécaniques auraient du mal à maintenir un contact uniforme, et il peut améliorer considérablement l'apparence de la surface et réduire les défauts de surface liés à la friction-.

Les deux processus nécessitent un contrôle minutieux de la densité de courant et de la composition de l’électrolyte pour obtenir des résultats cohérents et reproductibles. La principale distinction entre eux est que la galvanoplastie est un processus additif - le matériau est déposé sur la surface - tandis que l'électropolissage est un processus soustractif - le matériau est retiré de la surface. Comprendre cette distinction est important dans la pratique, car choisir le mauvais pour une exigence de tolérance donnée peut soit ajouter une épaisseur indésirable, soit enlever plus de matière que ce que la tolérance dimensionnelle d'une pièce peut tolérer.

L'usinage et le meulage utilisent des fraiseuses, des tours et des équipements similaires CNC pour découper directement le matériau d'une pièce, obtenant ainsi un contrôle dimensionnel et de forme de haute-précision. Les finitions de surface obtenues grâce à cette voie peuvent atteindre un Ra inférieur à 0,8 μm, un niveau de douceur que la plupart des surfaces finies sous forme de -impression ou support-ne peuvent pas égaler à elles seules.

L'usinage par électroérosion (EDM) utilise une décharge par étincelle électrique entre une électrode et la pièce à usiner pour éroder le matériau, ce qui le rend bien adapté à la finition des alliages durcis ou des cavités internes complexes qui seraient difficiles à atteindre avec un outil de coupe. Son principal inconvénient est la vitesse de traitement, qui a tendance à être considérablement plus lente que l’usinage conventionnel.

L'usinage/meulage et l'électroérosion nécessitent des équipements spécialisés et des opérateurs qualifiés, et sont généralement réservés aux pièces soumises à des exigences de tolérance strictes. - les composants aérospatiaux en sont un exemple représentatif, où la précision dimensionnelle et l'intégrité de la surface affectent directement les performances et les marges de sécurité des pièces.

Le choix de la bonne méthode de finition pour une pièce métallique imprimée en 3D dépend de la géométrie structurelle de la pièce, de ses exigences de précision et de l'échelle de production impliquée. Les méthodes mécaniques telles que le ponçage et le sablage sont bien adaptées au traitement de surface rapide-à usage général où le temps d'exécution compte plus que l'obtention des tolérances les plus strictes possibles. Les méthodes chimiques et électrochimiques telles que l'électropolissage et la galvanoplastie sont généralement choisies pour améliorer les performances fonctionnelles -, la résistance à la corrosion, la conductivité ou les caractéristiques d'usure - plutôt que pour des raisons purement esthétiques. Les processus de haute-précision tels que l'usinage et l'électroérosion sont réservés aux pièces qui doivent répondre à des exigences de tolérance strictes, où le coût et le temps de traitement supplémentaires sont justifiés par la criticité de l'application.

Dans la production réelle-, il est courant de combiner plusieurs de ces méthodes au sein d'un seul flux de finition -, par exemple, sablage d'une pièce pour éliminer la calamine de la surface et uniformiser son apparence, suivi d'un usinage ciblé sur les surfaces de contact critiques et d'une finition par électropolissage pour obtenir à la fois une surface lisse et une meilleure résistance à la corrosion sur le composant fini. Ce type d'approche à plusieurs niveaux permet aux fabricants d'équilibrer le coût, le débit et la qualité finale des pièces, plutôt que de s'appuyer sur une seule méthode de post-traitement-pour répondre à toutes les exigences à la fois.