Parmi les tâches de post-traitement qui ont souvent été considérées comme des priorités modestes par les équipementiers, il y a le dépoudrage. Le fait est que l’on a toujours accordé beaucoup d’attention au dépoudrage des pièces métalliques imprimées en 3D, laissant les industries verticales adopter la fabrication additive (FA) avec peu d’informations sur la manière de gérer correctement ce processus avec les pièces plastiques imprimées en 3D. L’article ci-dessous a l’ambition de changer cela en discutant de 4 considérations clés à prendre en compte pour cette tâche spécifique de post-traitement. Pour ce faire, nous avons donné la parole à Andreas Hartman, fondateur et CEO de Solukon, et à Philipp Kramer, CTO et cofondateur de DyeMansion.
Ce n’est un secret pour personne que les pièces imprimées en 3D qui sortent directement de l’imprimante 3D peuvent déjà être utilisées. Toutefois, pour que ces pièces puissent apporter une valeur ajoutée et atteindre les performances souhaitées, d’autres étapes de post-traitement doivent être entreprises. Pour Andreas Hartman, fondateur et CEO de Solukon, ces étapes de post-traitement peuvent « être divisées en quatre catégories : déballage, nettoyage (= dépoussiérage / élimination de la poudre résiduelle collée (frittée) sur la surface de la pièce), finition de la surface (lissage chimique ou mécanique, polissage, sablage, infiltration ou fraisage, [revêtement et peinture par pulvérisation]) et coloration/teinture ».
« Par rapport à la FA des métaux, il y a encore plus de processus de traitement de surface et de finition dans le post-traitement des composants polymères. En effet, l’objectif principal du post-traitement des pièces en polymère est souvent d’obtenir une résolution, une couleur et un aspect parfaits (intérieur automobile, lunettes, etc.) en plus d’une fonctionnalité optimale », ajoute Hartmann.
En ce qui concerne le dépoudrage des pièces, le concept est souvent utilisé de manière interchangeable avec le déballage et le nettoyage, ce qui n’est pas tout à fait exact. Cette terminologie peut varier d’un fabricant de machines à l’autre, en fonction de ce que leur machine peut faire. Pour la plupart des fabricants, le dépoudrage, c’est-à-dire l’élimination de la poudre des pièces imprimées en 3D, est directement suivi du nettoyage et peut être effectué dans la même machine. Toutefois, le nettoyage peut également être effectué manuellement après la phase de dépoudrage, à l’aide de brosses, ou de manière automatisée, par projection de billes de verre. Le déballage de la pièce, quant à lui, consiste à libérer la pièce du gâteau de poudre, ce qui implique souvent d’aspirer et d’éliminer la poudre. Cette étape intervient juste avant les processus de dépoudrage et de nettoyage.
Il est intéressant de noter que le dépoudrage des pièces en plastique imprimées en 3D peut facilement être compris en comparant le même processus avec les pièces en métal imprimées en 3D. C’est pourquoi nous avons identifié 4 considérations clés qui peuvent aider les fabricants de pièces à mieux comprendre ce processus.
1- Les processus de FA qui fonctionnent avec l’enlèvement de poudre
C’est une évidence, non ? Quel procédé de FA peut nécessiter le dépoudrage d’une pièce plastique imprimée en 3D ? Pour Philipp Kramer, CTO et cofondateur de DyeMansion, les pièces en plastique fabriquées dans des technologies à lit de poudre comme la fusion multijet, le frittage sélectif par laser (SLS), la fusion par absorption sélective [SAF™] et le frittage à grande vitesse (HSS) sont les mieux adaptées au nettoyage et à la finition de surface. « Avec ces technologies, le post-traitement consiste à éliminer l’excès de poudre lors d’une étape de nettoyage, à délivrer le bon état de surface par sablage ou lissage à la vapeur et à colorer les pièces dans la couleur souhaitée », ajoute-t-il.
2- La technique du dépoudrage
Là encore, la technique de dépoudrage est assez différente de ce que l’on a l’habitude de voir avec les métaux. Les deux facteurs de différenciation partagés par Hartmann et Kramer sont la quantité et le poids :
Les pièces en plastique imprimées en 3D doivent être dépoudrées en quantité, alors que dans le cas du dépoudrage des métaux, seules une ou quelques pièces sont montées sur une plaque de construction. Une boîte de construction en plastique (par exemple d’un EOS P7) contient souvent de nombreux composants de formes, de structures et de tailles différentes qui doivent être déballés et dépoudrés simultanément.
Le principal défi du post-traitement des pièces en polymère n’est pas d’obtenir des structures internes complexes exemptes de poudre (comme dans le cas du métal), mais de détacher soigneusement et automatiquement les pièces du gâteau de poudre et de procéder à un sablage ciblé avec des billes de verre sans endommager les pièces fragiles et filigranes. En particulier parce que les pièces en plastique ne sont pas fermement attachées à une plaque de construction comme dans le cas du métal, mais sont mélangées dans la boîte de construction et plus tard dans le bassin de rotation, elles doivent être manipulées avec beaucoup de précaution pour éviter d’endommager les pièces.
En d’autres termes, les pièces métalliques qui sont habituellement fixées sur une grande plaque de construction sont dépourvues de poudre avant d’être retirées. Pour ce faire, il faut soit faire pivoter la plate-forme construite, soit procéder à un grenaillage manuel. Les pièces en plastique sont plus légères, plus souples et produites sans structure de support ni plaque construite. Les processus automatisés de grenaillage par lots dans un panier ou une bande continue sont donc très bien adaptés.
L’utilisation de billes de verre peut constituer un autre défi. Le porte-parole de Solukon prévient que pendant le processus de dépoudrage, les billes de verre se chargent en électricité statique et adhèrent au composant. Ces adhésions doivent être à nouveau libérées avec de l’air ionisé. En outre, au cours du processus, de plus en plus de poudre pénètre dans le produit de sablage, ce qui peut entraîner une décoloration indésirable des pièces en raison des processus thermiques (la surface s’échauffe lorsque les particules de plastique la touchent).
Par conséquent, lors de l’enlèvement de poudres polymères, une attention particulière doit être portée à la qualité des billes de verre (le moins de résidus de poudre possible dans le produit de sablage). Pour maintenir la qualité des billes de verre à un niveau élevé et les taux de rafraîchissement à un niveau bas, certains systèmes, comme le système Solukon, utilisent un tamisage à ultrasons.
Dans tous les cas, il faut garder à l’esprit que « l’enlèvement de poudre dans le secteur des polymères est normalement le processus de nettoyage final dans le post-traitement, alors que dans les processus métalliques, la pièce peut être contaminée à nouveau lors de l’enlèvement du support, par exemple, et doit être nettoyée finement à la fin », souligne Hartmann.
3- La machine idéale
C’est probablement la question la plus difficile à laquelle on doit répondre, car il existe de nombreuses options sur le marché et cet article n’a pas pour but d’étudier les caractéristiques uniques qui les distinguent les unes des autres. Si chaque solution a ses points forts et ses limites, il est important de garder à l’esprit que les applications, les volumes de production et les coûts sont les facteurs clés qui peuvent orienter votre choix vers l’une ou l’autre solution.
« Certaines sableuses manuelles de base peuvent convenir pour les pièces en métal et en plastique. Lorsque vous utilisez des solutions automatisées, il existe des différences majeures au niveau de la configuration de la machine et du processus. Il est donc recommandé aux utilisateurs de se fier à des systèmes qui ont été conçus et dédiés au métal ou au plastique. La manipulation de poudre de métal ou de plastique nécessite des installations technologiques très différentes », souligne le directeur technique de DyeMansion.
4- Les mesures de sécurité
L’élimination de tous les risques liés à la santé et à la sécurité a souvent été l’un des principaux objectifs des fabricants de machines qui développent des solutions automatisées. Cet objectif est devenu une priorité absolue compte tenu du fait que la manipulation de poudres de pièces métalliques imprimées en 3D peut être explosive, voire toxique pour l’opérateur.
Ces poussières dangereuses peuvent également constituer un risque pour la santé de l’opérateur lors du déballage des pièces en plastique imprimées en 3D, car il doit souvent dégager manuellement les pièces du gâteau de poudre.
« La création de nuages de poudre susceptibles d’être inhalés est inévitable [d’où la nécessité de] protections respiratoires ou d’unités d’extraction des poussières. Les dimensions du travail de construction pouvant être très importantes, le déballage manuel dans des boîtes à gants protégées est difficile, voire impossible, en raison de l’accessibilité limitée.
Étant donné qu’un débit élevé de composants est nécessaire dans les grandes installations de production, une grande quantité de poudre est également traitée. La réduction du contact humain avec les poudres dangereuses est une préoccupation encore plus pressante dans le domaine des polymères que dans celui des métaux. La production sans poussière doit être l’objectif en ce qui concerne la sécurité au travail et la protection de la santé. Cela nécessite un post-traitement automatisé, étanche et cohérent des polymères sans aucune intervention manuelle », souligne M. Hartmann.
Dans le même ordre d’idées, une manipulation soutenue des matériaux inertes est souvent nécessaire pour les métaux afin d’éviter la contamination par l’oxygène. Les poudres de polymères n’étant pas aussi réactives que certaines poudres métalliques, l’inertisation par gaz protecteur n’est généralement pas utilisée.
« Des processus de nettoyage doux avec un faible risque de formation de poussière et de chargement de la poudre, une conception du système sans sources d’inflammation et une extraction appropriée des poussières peuvent réduire suffisamment le risque d’explosion des poudres polymères. Le déballage et le dépoussiérage n’ont lieu que lorsque les pièces en polymère ont refroidi et aucun gaz inerte n’est donc nécessaire. Les processus d’oxydation ne jouent un rôle que dans le processus de fabrication et de refroidissement, et non dans le déballage ou le dépotage », conclut M. Hartmann.
Ce dossier a été initialement publié dans le numéro de Juillet/Août de 3D ADEPT Mag.
Quelques mots sur les entreprises participantes
DyeMansion GmbH fournit des solutions connectées et entièrement intégrées pour toutes les étapes de finition des pièces en polymère imprimées en 3D. Elle propose notamment deux systèmes différents pour l’étape de dépoudrage. Le Powershot C classique, qui est une solution automatisée pour les petits et moyens lots, et le Powershot Performance C/Dual, qui est dédié aux lots plus importants et aux installations de production intégrées numériquement et physiquement. Ce dernier est doté de toutes les interfaces numériques et de tous les contrôles de processus nécessaires à une fabrication entièrement traçable et peut combiner le nettoyage et le surfaçage en un seul système. Les deux systèmes peuvent également fonctionner avec le processus de nettoyage PolyShot, qui offre plusieurs avantages par rapport au dépoussiérage traditionnel avec du verre et qui a été développé spécifiquement pour les pièces en plastique imprimées en 3D. L’entreprise estime qu’un dépoudrage doux et adapté joue un rôle essentiel dans l’obtention de résultats reproductibles en matière de lissage et de coloration de la surface.
Solukon Maschinenbau GmbH fournit des solutions de dépouillement automatisées pour la fabrication additive. L’entreprise estime que ce qui différencie le dépoudrage des polymères des systèmes de dépoudrage des métaux est la nécessité d’une manipulation particulièrement douce des pièces. Pour le dépouillement des pièces en polymère, elle propose le SFP770 pour les pièces imprimées sur un EOS P 7, P1 et P5. Au niveau global, le SFP770 est un système de post-traitement unique en son genre. Il est le seul sur le marché à inclure à la fois une station de déballage automatisée et une station de nettoyage pour les composants SLS dans un seul système. Ce qui rend ce système unique, ce n’est pas seulement la combinaison des deux étapes de déballage et de nettoyage, mais aussi le fait que le système est capable d’accueillir l’ensemble de la boîte de construction d’une imprimante polymère. Le processus du SFP770 comprend le chargement, le déballage, le transfert et le nettoyage (dépowdering). Pour garantir des résultats de nettoyage optimaux, la poudre n’est pas séparée du produit de sablage par gravité dans un cyclone, comme c’est habituellement le cas dans les systèmes de sablage standard. Au lieu de cela, Solukon utilise un tamis à ultrasons très compact pour nettoyer précisément la poudre du produit de sablage (billes de verre). Ainsi, pratiquement aucun produit de sablage n’est perdu et seules des billes de verre très propres sont utilisées pour le nettoyage.
Solukon permet ainsi un processus de nettoyage en circuit fermé et se rapproche pour la première fois de l’idée d’un atelier sans poussière. Outre l’efficacité économique, la santé et la sécurité au travail sont considérablement améliorées au même titre que l’acceptabilité des produits.