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La fabrication additive a transformé des secteurs exigeants comme l'aérospatial, où chaque gramme compte et chaque composant doit répondre à des normes de performance strictes. Mais son impact ne se limite pas à la capacité d'imprimer des géométries complexes ou de réduire le poids des pièces : l'une de ses applications les plus stratégiques réside dans la manière dont ces pièces sont conçues et assemblées.
L'impression 3D n'est plus seulement un outil de prototypage. Aujourd'hui, elle fait partie intégrante du flux de travail de production et d'assemblage. Comprendre comment les assemblages sont optimisés dans ce contexte est essentiel pour tout professionnel technique cherchant des résultats fiables, notamment en travaillant avec des technologies comme le FDM, le SLA, le SLS ou le métal.
L'une des plus grandes contributions de la fabrication additive est la possibilité de consolider des pièces. Par exemple, dans le secteur aéronautique, GE a redessiné un injecteur de carburant initialement composé de 20 pièces soudées, et l'a imprimé en une seule unité. Résultat : 25 % de poids en moins et une diminution radicale des défaillances dues à l'assemblage.
Cependant, dans de nombreux cas, l'approche la plus appropriée n'est pas de consolider, mais de diviser le modèle. Pourquoi ? Pour surmonter les limitations du volume d'impression, optimiser l'orientation pour la résistance mécanique, éviter les supports ou imprimer avec des matériaux différents. Dans ces cas, il devient essentiel de planifier comment ces pièces seront assemblées après l'impression.
Les pièces imprimées en 3D offrent rarement la même précision dimensionnelle que les pièces usinées. C'est pourquoi, lors de la conception d'assemblages (tels que tenon et mortaise), il convient d'ajouter des jeux. Un trou légèrement plus grand ou un tenon plus petit peuvent compenser les écarts propres au processus.
Pour garantir un ajustement correct, il est recommandé de :
Sous-dimensionner les trous si un post-traitement (perçage de précision) est envisagé.
Ajouter des pions de centrage ou des rainures de guidage qui aident à aligner les pièces lors du montage.
Éviter d'imprimer les filetages directement ; il est préférable de prévoir des trous pour insérer des écrous ou des filetages métalliques.
Selon l'utilisation de la pièce, l'assemblage peut nécessiter des vis, des adhésifs ou des systèmes d'encliquetage mécanique. Chaque méthode impose des exigences de conception :
Pour les vis, il est recommandé de concevoir des trous taraudables ou d'utiliser des inserts.
Pour le collage, il est fondamental d'assurer des surfaces planes, propres et parallèles, permettant une bonne adhérence et pression pendant le séchage et le durcissement de la colle.
Le scan 3D haute résolution est de plus en plus intégré dans le flux de travail de conception et d'assemblage. Il permet de numériser des pièces existantes avec précision pour les reproduire, les adapter ou les intégrer dans de nouveaux systèmes. Ceci est particulièrement utile dans des contextes tels que :
La rétro-ingénierie de pièces sans plans.
La vérification dimensionnelle avant l'assemblage.
La conception de composants personnalisés qui doivent s'adapter à un système préexistant.
Idéal pour les prototypes fonctionnels et les pièces techniques en matériaux comme l'ABS, le Nylon, le PC ou le PEI (par exemple, l'ULTEM™ 9085 pour usage aéronautique). Les bonnes pratiques pour les assemblages incluent :
Imprimer les trous légèrement plus petits et les usiner ensuite.
Orienter les faces critiques de l'assemblage pour maximiser la précision dans le plan XY.
Appliquer un brim ou un raft pour améliorer l'adhérence des grandes pièces et éviter les déformations dues au gauchissement.
Sa haute précision en fait un excellent choix pour les pièces avec de nombreux détails ou des ajustements délicats. Mais sa fragilité relative exige des précautions supplémentaires :
Éviter les ajustements à pression excessivement serrés qui pourraient provoquer des fissures.
Utiliser des résines techniques (résistantes, haute température) si une plus grande résistance mécanique est requise.
Renforcer les zones de vissage avec des rondelles ou des inserts si un couple considérable doit être appliqué.
Idéal pour les assemblages fonctionnels. Il permet d'imprimer sans supports, ce qui facilite la conception de géométries internes et de pièces mobiles. Les pièces SLS ont :
Une excellente homogénéité mécanique (presque isotrope).
Des surfaces légèrement rugueuses qui peuvent nécessiter un ponçage dans les zones de contact ou de mouvement.
La possibilité d'imprimer directement des ensembles articulés ou à ajustement glissant.
L'impression métallique (DMLS/SLM) permet d'éliminer complètement certains assemblages en consolidant des pièces. Mais lorsqu'un assemblage est nécessaire :
On a recours à des procédés traditionnels : perçage, taraudage, fraisage, soudage.
Il est courant de combiner impression et usinage pour garantir des tolérances critiques dans les zones de jonction.
Le post-traitement thermique (détente) et de surface est essentiel pour préparer les zones de contact ou d'ajustement.
L'impression 3D n'est qu'une partie du processus. Pour qu'une pièce réponde aux exigences techniques et fonctionnelles de secteurs comme l'aérospatial ou l'industrie de pointe, il est indispensable d'appliquer des techniques de post-traitement et d'assemblage appropriées. De l'amélioration des finitions à l'assurance de jonctions robustes, ces étapes déterminent la qualité finale du produit.
Les pièces imprimées par FDM nécessitent comme première étape le retrait des supports, des brims ou des rafts. Cela se fait avec des pinces coupantes ou des outils d'ébavurage. Pour éliminer les lignes de couche, on utilise du papier de verre à grain progressif, des limes ou des outils rotatifs. Pour les matériaux comme l'ABS ou l'ASA, le lissage chimique à la vapeur d'acétone permet d'obtenir une finition lisse proche du moulage par injection.
Il est également courant de reprendre les trous ou les surfaces critiques par perçage ou fraisage léger, surtout sur les pièces qui seront assemblées. Il est recommandé de disposer d'un kit de post-traitement de base (cutters, papier de verre, outil rotatif, gants, lunettes de protection) même pour les travaux non industriels.
En impression résine, le post-traitement commence par un nettoyage à l'alcool isopropylique pour éliminer les résidus de résine. Ensuite, la polymérisation UV est effectuée (dans une station dédiée ou avec une lumière solaire contrôlée) pour compléter la polymérisation. À partir de là, les marques de support sont éliminées avec du papier de verre fin et un apprêt ou de la peinture peut être appliqué, non seulement pour l'esthétique, mais aussi pour bloquer les rayons UV qui pourraient jaunir la pièce avec le temps.
Les pièces en poudre de nylon présentent une surface mate et légèrement poreuse. La première étape habituelle est le sablage avec des microsphères ou du sable pour éliminer la poudre adhérente et lisser la texture de surface. Ensuite, une teinture par immersion, un polissage mécanique (tonnelage) ou même un lissage par vapeur chimique peuvent être appliqués. Dans les applications exigeantes, l'étanchéification à l'époxy ou le recuit thermique peuvent améliorer la résistance ou l'étanchéité.
Dans les technologies comme le DMLS ou le SLM, les pièces sont généralement imprimées avec des supports métalliques qui sont retirés par découpe mécanique ou électroérosion (découpe au fil). Ensuite, un traitement thermique de détente est effectué, indispensable pour éliminer les contraintes résiduelles.
Pour respecter des tolérances serrées, les surfaces fonctionnelles (trous, faces planes, logements) sont usinées après l'impression. Cela peut inclure le taraudage, le fraisage ou la rectification. Dans des secteurs comme l'aérospatial, le grenaillage (shot peening) est utilisé pour améliorer la résistance à la fatigue et lisser les surfaces.
Après le post-traitement, l'utilisation de scanners 3D ou de MMT (machines de mesure tridimensionnelle) permet de vérifier que la pièce est conforme à la géométrie CAO. Ce n'est qu'après avoir passé ce contrôle que la pièce peut passer à l'assemblage.
Le collage est efficace et simple pour les plastiques. Le cyanoacrylate est idéal pour le PLA, tandis que les époxydes bicomposants permettent de combler les lacunes ou d'assembler des pièces avec des tolérances relâchées. Pour des matériaux comme l'ABS, le soudage par solvant avec de l'acétone offre une liaison plus homogène.
Pour obtenir une liaison solide :
Les surfaces doivent être planes, propres et sèches.
Un léger ponçage est recommandé pour augmenter l'adhérence.
L'application de pression (à l'aide d'une presse ou de serre-joints) pendant le séchage de la colle améliore la qualité de la liaison.
Pour les assemblages démontables ou soumis à des charges, les inserts métalliques (thermo-insérables) sont la meilleure option. Ils sont insérés avec un fer à souder et fournissent des filetages durables dans les pièces en PLA, ABS ou PETG.
Dans les pièces en résine ou les zones minces, on peut utiliser :
Des écrous encastrés (en concevant des cavités hexagonales).
Un filetage direct si le matériau le permet (avec prudence).
Chaque fois que vous vissez des pièces imprimées :
Concevoir des renforts pour éviter la rupture par écrasement.
Utiliser des rondelles ou des rondelles coniques s'il y a un risque d'enfoncement.
Les ajustements par encliquetage (snap-fits) ou coulissants permettent des assemblages sans quincaillerie. Très utilisés pour les boîtiers, les couvercles ou les éléments non structurels. Ils nécessitent des essais, car la flexibilité de la pièce dépend du matériau et de la direction d'impression (en particulier en FDM).
Pour les métaux, de nombreuses pièces imprimées peuvent être soudées à d'autres si le traitement thermique ultérieur est respecté. Pour les polymères comme le PP ou le PE, difficiles à coller, le soudage par friction ou par chaleur peut être une alternative.
Une technique sous-utilisée mais efficace : l'impression de gabarits ou d'outils d'assemblage. Ils servent à positionner les pièces avec précision lors du collage ou du vissage. Pour les petites séries ou les assemblages complexes, la conception d'un outil spécifique en impression 3D accélère le processus et améliore la qualité.
La fabrication additive ne s'arrête pas lorsque la pièce sort de l'imprimante. Maîtriser le post-traitement et l'assemblage est ce qui transforme une bonne conception en un produit final fonctionnel et professionnel. De la bonne préparation d'une surface à la sélection de l'adhésif ou de la vis appropriée, chaque détail compte pour assurer la fiabilité et la durabilité.
Ces stratégies ne sont pas seulement valables pour le secteur aérospatial. Les ingénieurs industriels, les designers de produits ou les makers avancés peuvent les appliquer pour améliorer leurs développements. La clé est de comprendre l'impression 3D comme faisant partie d'un flux de fabrication complet, dans lequel chaque étape – de la conception à l'inspection finale – ajoute de la qualité.
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