Rétrécissement des pièces en impression 3D et Warping

Remarque : Ce guide traite des concepts de manière générale et sans se concentrer sur une marque ou un modèle spécifique, bien qu'ils puissent être mentionnés à un moment donné. Il peut y avoir des différences importantes dans les procédures d'étalonnage ou de réglage entre les différentes marques et modèles, il est donc recommandé de consulter le manuel du fabricant avant de lire ce guide.

Pendant l'impression, le plastique extrudé à haute température subit un rétrécissement de volume dû au refroidissement. Dans certains matériaux tels que le PLA, ce retrait est très faible (entre 0,3 % et 0,5 %) et ne pose donc généralement pas de problème, mais d'autres matériaux tels que le nylon 12 peuvent présenter un retrait allant jusqu'à 2 %, voire jusqu'à 4 % dans le cas du PVDF, ce qui entraîne des déformations importantes des pièces.

Tableau 1. Pourcentage de rétrécissement de divers plastiques utilisés dans l'impression 3D FFF. Source : SpecialChem.com

Ce retrait est un pourcentage de la taille de la pièce, il faut donc tenir compte du fait que les très grandes pièces imprimées dans des matériaux à faible retrait peuvent être plus problématiques que les petites pièces dans des matériaux à fort retrait. C'est pourquoi une pièce de 20 x 20 cm en PLA peut présenter un risque d'échec plus élevé qu'une pièce de 5 x 5 cm en ABS.

Lorsque le refroidissement de la pièce est très rapide et irrégulier, principalement en raison d'une différence élevée entre la température ambiante et la température d'impression, la pièce se rétracte de manière irrégulière, ce qui provoque des déformations aux extrémités de la pièce. Ce phénomène est connu sous le nom de warping. Le warping a deux conséquences fondamentales :
Si l'adhésion entre les couches n'est pas bonne, cela entraîne la séparation des couches.
Si l'adhésion à la base n'est pas bonne, cela provoque le soulèvement de la pièce.

Image 1 : Explication du phénomène de déformation. Source : rigid.ink

En cualquiera de las situaciones anteriores, la consecuencia es que la deformación de la pieza provocará que se levante o despegue, produciendo una colisión con el cabezal y haciendo fallar la impresión.

Compensar el efecto de la contracción de las piezas

Le rétrécissement des pièces pendant le refroidissement est inévitable, mais il est possible d'éviter ou de minimiser le risque de défaillance de plusieurs façons :

• Éviter le rétrécissement de la pièce pendant le processus d'impression.
  Il s'agit de la solution idéale, qui garantira la meilleure qualité des pièces et évitera les déformations. Elle consiste à maintenir la pièce à une température égale ou légèrement supérieure à la Tg du matériau pendant tout le processus d'impression, ce qui empêchera la pièce de commencer à se rétracter pendant le processus d'impression. Une fois terminé, elle refroidira lentement, obtenant un rétrécissement uniforme de la pièce sans déformation, tout en évitant les contraintes internes. Cela nécessite une imprimante dotée d'une chambre chauffante capable d'atteindre des températures adaptées à chaque matériau.
• Obtenir une adhésion suffisante dans la base pour éviter que la pièce ne se décolle lors du rétrécissement.
  Lorsqu'une chambre chauffée n'est pas disponible, il est possible de réduire le risque d'échec en augmentant la liaison entre la première couche et la base. Si ce lien est capable de résister aux contraintes causées par le retrait, la pièce ne se détachera pas de la base et il sera possible de terminer l'impression avec succès.
  Plus la taille de la pièce est grande, plus les contraintes sont importantes et donc plus l'adhésion requise est grande. C'est pourquoi le risque de défaillance augmente avec la taille de la pièce et on dit souvent que les matériaux sujets au warping ne permettent de fabriquer que des petites pièces sur des imprimantes sans chambre chauffante.
• Obtenir une bonne liaison entre les couches.
  Si les forces de liaison entre la première couche et la base sont plus importantes que celles entre les couches, un problème de séparation ou de délamination des couches peut se produire.

Image 2 : Effet de séparation des couches dû à la rétraction pendant le refroidissement. Source : Geeetech.com

En réalité, la limite de taille lors de la fabrication d'une pièce en FFF dépendra de la force d'adhérence entre la première couche et la base et des forces de cohésion entre les couches capables de compenser les contraintes de traction, de cisaillement, de déchirement et de pelage générées lors du rétrécissement de la pièce pendant le refroidissement.

L'ampleur de ces contraintes dépend de trois facteurs : le volume de la pièce, le coefficient de rétraction du matériau et la température ambiante d'impression.

Pour réduire le risque de défaillance, il sera nécessaire d'augmenter autant que possible l'adhésion de la pièce au support et entre les couches, et de réduire les efforts générées par la pièce.

Les stratégies suivantes peuvent être utilisées pour améliorer l'adhésion de la pièce à la base :

• Améliorer la liaison adhésive : utiliser des solutions adhésives spécifiques aux matériaux pour maximiser la force de liaison.

Image 3 : Adhésifs spécifiques à l'impression 3D. Source : magigoo.com 

• Augmenter l'extrusion de la première couche : une plus grande quantité de matériau appliquée à une pression plus élevée augmentera la surface de contact effective, améliorant ainsi l'adhérence.
• Maintenez la surface propre et exempte de défauts : La présence de poussière ou d'autres saletés réduit considérablement l'adhérence de la pièce.
• Augmenter la surface de contact avec la base : L'application d'un bord (Brim) sur la pièce dans les premières couches augmentera la surface de contact avec la base sans augmenter les contraintes sur la pièce. Cela permettra également d'augmenter la force d'adhérence.
• Éviter les coins et les bords arrondis en contact avec la base. Les coins sont des points d'accumulation de contraintes et sont les zones où la pièce commencera à se décoller. Les bords arrondis en contact avec la base réduisent la surface de contact avec la base et augmentent les contraintes dans la pièce. Il est préférable d'éviter ce type d'élément dans la conception de la pièce, mais lorsque cela n'est pas possible, l'application d'un bord aux pièces minimisera ses effets.

Les stratégies suivantes peuvent être utilisées pour réduire les contraintes sur la pièce :

• Réduire le volume de matériau dans la pièce : cela peut se faire en optimisant le motif de remplissage. Pour ce faire, on peut réduire le pourcentage de remplissage de la pièce et compenser la perte de propriétés en utilisant un plus grand nombre de périmètres ou en optimisant l'orientation du motif.
• Utiliser des matériaux à faible coefficient de retrait : parmi les matériaux qui répondent aux exigences techniques de la pièce, il faut rechercher ceux qui ont un faible coefficient de retrait. Les matériaux chargés de fibres ou de particules ont généralement des coefficients de retrait plus faibles et offrent dans de nombreux cas des propriétés mécaniques supérieures, ce qui permet également de réduire la densité de la charge sans perdre de propriétés.
• Augmentation de la température ambiante d'impression : les imprimantes fermées ou à chambre passive, bien qu'elles n'atteignent pas des températures aussi élevées que les imprimantes à chambre active chauffée, peuvent dans de nombreux cas maintenir des températures stables comprises entre 50 et 70 °C grâce à la chaleur rayonnée par la base d'impression. Une stratégie courante consiste à chauffer la base et à la maintenir pendant 10 à 15 minutes avant l'impression.

Les stratégies suivantes peuvent être utilisées pour améliorer la liaison entre les couches :

• Réduire la hauteur des couches : une hauteur de couche plus basse signifie une meilleure cohésion entre les couches.
• Augmenter la température et réduire la vitesse du ventilateur de couche : une température plus élevée et un refroidissement plus lent permettront également une meilleure liaison des couches.
• Augmenter le flux : cette option n'est pas recommandée, car elle modifiera les dimensions et les tolérances des pièces. Cependant, un flux plus élevé a un effet similaire à celui obtenu en réduisant la hauteur de la couche, mais sans augmenter les temps d'impression.

Comment déterminer le volume maximal d'impression pour chaque matériau

Il est possible de déterminer le volume ou la taille maximale sûre lors de la fabrication de pièces avec un certain matériau dans notre imprimante. Pour ce faire, nous devons suivre les étapes suivantes :

• Préparer un profil d'impression approprié. La taille maximale de la pièce est liée à ce profil particulier. Si une variante de ce profil est produite, le volume maximal doit être redéterminé si l'un des paramètres suivants est modifié :
• Température d'impression
• Température de base
• Hauteur de la première couche
• Hauteur de la couche
• Flux d'extrusion
• Vitesse de la première couche
• Motif de remplissage
• Densité de la charge
• Nombre de périmètres
• Rechercher la meilleure surface d'adhésion disponible. Il est conseillé d'utiliser des revêtements liquides optimisés pour le matériel d'impression à utiliser, et de les réappliquer avant chaque impression.
• S'assurer que les conditions de température et d'humidité de la pièce où se trouve l'imprimante sont constantes.

Une fois ces étapes préliminaires réalisées, il sera nécessaire de faire des essais itératifs jusqu'à ce que la taille maximale soit trouvée. Pour ce faire, on utilisera un cube dont les bords sont arrondis parallèlement à l'axe Z et dont la taille correspond approximativement à la moitié de la base d'impression.

En suivant ce schéma, il est possible de déterminer la taille d'impression maximale sûre pour une combinaison de matériaux et de profils donnée sur une imprimante déterminée.

Une fois que le volume maximal sûr a été déterminé, toute pièce contenue dans ce volume devrait pouvoir être fabriquée avec un faible risque de défaillance.

Afin de disposer d'une marge de sécurité, il est recommandé d'activer l'option de bordure dans le profil d'impression lors de l'impression de pièces de taille maximale (cette fonction ne doit pas être utilisée lors de la détermination itérative de la taille maximale).