Pourquoi faut-il retirer la structure métallique de support de l’impression 3D ?

1. La mission principale des structures porteuses et leur évolution au fil du temps
Barrières physiques pour contrôler la thermodynamique
Au cours du processus d'impression 3D métallique, des faisceaux laser ou électroniques créent des températures très élevées (supérieures à 2 000 degrés) dans de petits endroits, ce qui fait que le matériau passe très rapidement d'un liquide à un solide. La structure de support remplit deux objectifs dans ce processus. Premièrement, en tant que milieu de conduction thermique, il déplace rapidement la chaleur de la zone suspendue vers le substrat, ce qui empêche l'accumulation de contraintes résiduelles dues à une surchauffe locale. Deuxièmement, en limitant le flux de métal, cela empêche le bain en fusion de s’effondrer sous l’effet de la gravité. Par exemple, lors de l'impression d'une roue en alliage de titane, la structure de support peut réduire la contrainte thermique de 60 % lorsque l'angle de suspension est inférieur à 45 degrés. Cela réduit le taux de déformation par gauchissement des pièces de 32 % à moins de 5 %.
Le résultat inévitable de l’itération du processus
Les premières machines d’impression 3D métal nécessitaient de nombreuses structures de support car elles ne pouvaient pas très bien gérer la densité énergétique. Les appareils SLM modernes peuvent fournir un « support adaptatif » en modifiant dynamiquement la densité de puissance laser grâce au développement de technologies de modélisation de couplage multi-physiques. L'appareil LiM-X260A de Leiming Laser, par exemple, a réussi à imprimer des structures suspendues sans aucun support à de petits angles de 5 degrés à 35 degrés en utilisant des algorithmes de numérisation optimisés. Cela a réduit de 78 % la quantité de matériel de support nécessaire. Mais cette technologie n’est encore utile que pour certains types de matériaux et de formes.
2. Des défauts fatals encore présents dans la structure porteuse
Des tueurs invisibles des propriétés matérielles
L'interface matérielle de la structure porteuse et du corps d'impression sont très différentes l'une de l'autre en termes d'organisation. Lors de l'impression avec de l'acier inoxydable 316L, des cristaux colonnaires grossiers peuvent se former à la jonction entre le support de grille et le solide. Cela rend la zone 15 à 20 % plus douce et 40 % moins durable. L'effet « petite anode, grande cathode » des résidus de support peut produire une corrosion électrochimique, ce qui est très néfaste pour des pièces importantes comme les disques de turbine des moteurs d'avion, car elle accélère le taux de corrosion de 3 à 5 fois.
Des effets néfastes sur la précision des formes
Le point de contact entre la structure porteuse et la surface du composant créera une couche de transition de 0,1 à 0,3 mm d'épaisseur. Cette couche est susceptible de présenter des défauts de surface lorsqu'elle est retirée mécaniquement. Par exemple, le pistolet à carburant de GE Aviation possède un canal d'écoulement interne de seulement 2 mm de diamètre. S'il y a un support résiduel, la section du canal d'écoulement peut se plier de plus de 8 %, ce qui affecte directement l'effet d'atomisation du carburant. Même avec des techniques de pointe telles que la dissolution électrochimique, une corrosion localisée au niveau de 0,05 mm peut toujours se produire si la densité de courant n'est pas répartie uniformément.
Le point faible de la maîtrise des coûts
Le coût du matériau utilisé pour fabriquer la structure porteuse représente environ 12 à 18 % du coût total de l’impression 3D métal. Le coût des alliages à base de nickel-haute température-est supérieur à 2 000 $ par kilogramme, et jeter des matériaux supplémentaires représente trop de travail. Le coût de la main d'œuvre de la phase de post-traitement est beaucoup plus préoccupant car il peut atteindre 25 % à 30 %. Dans la chaîne de production automatisée BMW IDAM, les gens doivent encore participer au processus de retrait, ce qui est devenu un goulot d'étranglement majeur qui empêche l'automatisation de l'ensemble du processus.
3. Percées et problèmes liés à la technologie facilitant le retrait
Une révolution dans le retrait mécanique de précision
Les processus mécaniques traditionnels tels que le découpage et le fraisage au fil présentent deux problèmes principaux : premièrement, ils sont difficiles à atteindre en raison des structures complexes des cavités intérieures, et deuxièmement, ils sont difficiles à contrôler au niveau micrométrique. Le système robot NetShape de Rivelin Robotics peut réguler la force de contact à 0,1 N près à l'aide d'un algorithme de contrôle par retour de force. Lorsqu'il est utilisé avec un système de positionnement visuel 3D, il peut automatiquement trouver et éliminer les résidus de support, ce qui rend la surface plus lisse (de Ra6,3 μm à Ra1,6 μm) et accélère le traitement de 10 fois.
Percée sélective dans la gravure chimique
La technologie d'élimination électrochimique développée par l'Arizona State University permet une dissolution sélective grâce à la création d'un champ de potentiel différentiel. Dans le système acier inoxydable/acier au carbone 304, la combinaison d'une solution d'acide nitrique à 41 % en poids et d'oxygène peut éliminer complètement le support en acier au carbone de 7 mm d'épaisseur en 6 heures. Il maintient également le taux de corrosion du substrat en acier inoxydable en dessous de 0,002 mm/h. Cette technologie a été utilisée pour fabriquer des implants médicaux, réduisant le temps nécessaire au retrait du support de 48 heures à 8 heures.
Utiliser des algorithmes intelligents pour faire des prédictions sur la manière d’améliorer les choses
La startup belge Materialise fabrique un logiciel appelé Magics qui peut utiliser des modèles d'apprentissage automatique pour construire automatiquement les meilleures structures de support. Le système apprend à partir de 100 000 ensembles de données de processus et peut prévoir la manière dont les contraintes thermiques se propageront sur différentes formes. Il peut également modifier lui-même la densité du support et la zone de contact. Lors de l'impression d'une certaine partie de la structure d'un avion, la méthode de support optimisée a réduit l'utilisation de matériaux de 42 % et le temps de post-traitement de 65 %.