Inserts en impression 3D

La fabrication additive présente de nombreux avantages, notamment la possibilité d'imprimer des ensembles de pièces en une seule impression ou des géométries complexes telles qu'un fil. Cependant, dans ce dernier cas, la conception des filets n'est pas faite de manière à ce qu'il y ait la possibilité d'un assemblage régulier car, étant en plastique, ils peuvent se déformer et perdre leurs dimensions ou même se fracturer. 

Lorsque vous souhaitez fabriquer un certain type de pièce dans le monde de l'impression 3D, il existe de nombreuses occasions où il est nécessaire d'utiliser des joints solides pour réaliser des pièces amovibles ou pour assurer la liaison permanente d'éléments de grand volume.

Les composants mécaniques fabriqués à l'aide de technologies traditionnelles deviennent un support pour les pièces de fabrication additive. Et dans le cas spécifique de l'assemblage de pièces, les inserts sont particulièrement remarquables.

Qu'est-ce qu'un insert ?

Une alternative à l'incorporation d'écrous au milieu d'une impression consiste à utiliser des inserts métalliques. Les inserts métalliques sont des éléments de fixation filetés qui sont insérés dans un trou afin de fournir à la pièce un éventuel lien par vissage.

Image 1 : Inserts. Source : Filament2print.

Il y a deux facteurs clés à prendre en compte pour choisir le meilleur type d'insert : la résistance à l'arrachement et la résistance à la torsion. 

• La résistance à l'arrachement est l'opposition de l'insert à sortir de son logement lorsque la vis est serrée. Il s'agit d'une valeur qui peut être augmentée en augmentant la longueur de l'insert.

• La résistance à la rotation est la résistance de l'insert à tourner sur lui-même lorsque le boulon est serré. Dans ce cas, plus le diamètre des inserts est grand, plus la capacité de couple est importante, car une plus grande surface est fixée sur la pièce.

Généralement, des facteurs tels que le diamètre et la taille de l'insert seront pris en compte (pour lesquels il est nécessaire de se référer à la fiche technique du fabricant). Et les matériaux, tant de l'insert que du plastique où l'installation doit être réalisée. Il existe une grande variété d'inserts à installer dans tout type de matériau, qu'il s'agisse de métal, de bois, de plastique ou autre. Le matériau le plus courant dans la fabrication des inserts est le laiton, bien que d'autres matériaux tels que l'acier inoxydable (résistant à la corrosion) ou l'aluminium (plus léger) fassent également leur apparition. 

Pour le FDM (lors de la fabrication avec des matériaux thermoplastiques), presque n'importe quel insert conviendrait, mais lors de la fabrication avec le SLA (qui utilise des matériaux thermodurcis et qui, une fois imprimés, ne peuvent donc pas être modifiés par la chaleur ou la pression), seuls des inserts autotaraudeurs ou hélicoïdaux peuvent être installés.

Il est très important de souligner que, bien qu'un insert constitué de presque tous les types de matériaux puisse être utilisé en FDM, la procédure d'insertion sera toujours plus problématique que pour les pièces SLA. Ceci est dû à la non-isotropie de la pièce, ce qui signifie que face à un insert placé à froid, la pression est telle que la pièce se délamine.

Il existe de nombreux types d'inserts, et la classification commune se fait en fonction de leur forme d'insertion.

Types d'inserts

Insertion par la chaleur : Les inserts thermiques sont utilisés avec des matériaux thermoplastiques, qui fondent à basse température. Le mode d'utilisation est très simple et ne nécessite qu'un fer à souder ou une autre source de chaleur (Modifi3D Pro), qui fait chauffer l'insert par contact par transmission de chaleur. Pour placer ce type d'insert, il doit y avoir un trou dans la pièce dont le diamètre est légèrement inférieur au diamètre extérieur de l'insert. À l'aide d'un outil d'insertion, et en contrôlant la pression (car il est possible de faire fondre la pièce autour du trou), appuyez l'insert sur le bord du trou pour dilater le plastique. L'insert sera piégé entre les fibres du plastique lorsqu'il refroidira. L'insert sera dans la bonne position lorsque les deux bords, pièce et insert, sont au même niveau. Le positionnement correct de ce type d'insert permet d'atteindre une résistance à la traction de 15 kg et une résistance à la torsion de 2,5 kg. En outre, les inserts taraudés à chaud ont les deux trous ouverts et peuvent donc être considérés comme des trous traversants, ce qui signifie que la longueur de l'insert ne sera pas une limitation, même si la vis à tarauder doit être insérée plus profondément que la longueur de l'insert lui-même.

Image 2 : insert thermique. Source : Filament2print.

Pression : Les inserts de pression, ou rivets, nécessitent un trou du même diamètre que le rivet. Leur installation est très simple car, comme tout rivet, il suffit de les enfoncer à l'aide d'un outil de compression. Comme dans le cas précédent, l'insert sera dans la bonne position lorsque les deux bords seront au même niveau. Il est très important de noter que lors de l'installation, les inserts doivent être correctement pressés car les pièces peuvent être écrasées à proximité des trous.

Autoraudeurs : Pour certains matériaux utilisés dans l'impression 3D par SLS et résine qui fondent à des températures très élevées ou qui ne présentent pas un comportement stable lorsqu'ils sont chauffés, les inserts autotaraudeurs sont idéaux. Caractérisés par un filetage interne et externe pour une installation facile dans la pièce, ces inserts sont placés à l'aide d'un outil de filetage de type ensat. La pièce doit être fabriquée avec un trou ayant le même diamètre nominal que l'insert, car ces inserts créent un filetage sur le plastique lors de leur installation, ce qui donne un assemblage qui peut être soumis à des contraintes beaucoup plus importantes que les inserts thermiques.  De plus, ces inserts sont fabriqués en acier inoxydable, un matériau très résistant à l'usure et aux environnements agressifs.

Image 3 : Insert autotaraudeur et outil. Source : Filament2print.

Helicoil : Comme les inserts autotaraudeurs, les inserts helicoil ont également 2 filets et fonctionnent de la même manière. Le trou dans la pièce à usiner doit être dimensionné selon la norme de l'hélicoïdal sélectionné. Pour installer l'insert, il faut d'abord créer le filetage dans le trou à l'aide d'un taraud, puis l'installer à l'aide d'un outil. Enfin, la petite bride au bas de l'insert, qui sert de butée à l'outil d'installation, est cassée. S'il est vrai que ces inserts ne sont pas bon marché, leur aspect et leur praticité sont remarquables.

Recommandations

En ce qui concerne le diamètre des trous, il faut tenir compte du fait que, lors de l'impression de la pièce, il y aura des variations dimensionnelles entre le dessin 3D et la pièce. Par conséquent, lors de la conception des trous, il sera nécessaire de leur appliquer une tolérance. En outre, le trou doit être d'une longueur suffisante pour l'installation de l'insert, en tenant également compte de la longueur supplémentaire de la saillie de la vis. Un autre élément à prendre en compte, lié à la conception, est l'épaisseur de la paroi ; essayez d'appliquer des valeurs suffisamment élevées pour que, lors de l'usinage du trou, celui-ci n'entre pas dans le remplissage de la pièce.

Image 4 : Insertion thermique de l'insert. Source : Markforged.

En termes d'installation, il est très important de veiller à certains aspects tels que le positionnement et la vitesse de fonctionnement. Veillez toujours à ce que l'insert soit, dans la mesure du possible, centré et perpendiculaire au trou. Cela s'applique à la chaleur, à la pression ou aux inserts filetés, car l'insertion de l'insert peut entraîner un filetage croisé et endommager le filetage, voire entraîner une insertion ultérieure incorrecte de la vis d'assemblage. Le fait de garder à l'esprit que les pièces sont en plastique et que l'insert est un élément métallique aura une incidence sur la vitesse d'installation, car la dureté du métal peut endommager les pièces imprimées. C'est pourquoi la vitesse doit être contrôlée afin de ne pas endommager les parois du trou.

Comme nous le savons tous, l'impression 3D évolue et des solutions comme celles-ci font la différence lorsqu'il s'agit d'obtenir des pièces plus complexes et répondant plus précisément aux besoins de l'industrie.