La nouvelle technologie brevetée de lissage à la vapeur PostPro® est une solution de post-traitement automatisé pour le traitement de surface des pièces imprimées en 3D en polymère thermoplastique. PostPro® est une technologie brevetée et habilitante qui réduit les délais d'exécution et les coûts d'exploitation et de maintenance, fournissant ainsi la "pièce manquante" dans la chaîne de fabrication numérique. PostPro® permet d'obtenir une qualité de surface moulée par injection, une meilleure étanchéité ainsi qu'une protection contre les bactéries sur des pièces imprimées à l'aide de la technologie de frittage laser, de fusion multijet HP, de frittage à grande vitesse ou de modélisation de dépôt par fusion.
Des essais approfondis ont été réalisés pour caractériser l'effet de la nouvelle technologie de post-traitement BLAST by AMT sur les propriétés des matériaux des pièces imprimées avec le matériau BASF Ultrasint® TPU01. Les essais ont porté sur la qualité de la surface, les propriétés mécaniques et les variations dimensionnelles. Les résultats ont révélé la compatibilité du matériau Ultrasint® TPU01 avec la technologie PostPro® 3D, qui permet de produire des pièces de haute performance.
Figure 1 : Conduit de tuyauterie imprimé avec Ultrasint® TPU01 avant et après le lissage à la vapeur chimique.
Ultrasint® TPU01
L'Ultrasint® TPU01 est une poudre de polyuréthane thermoplastique (TPU) polyvalente, idéale pour produire des pièces nécessitant une absorption des chocs, un retour d'énergie ou de la flexibilité. Ce matériau polyvalent hautement transformable est explicitement conçu pour les imprimantes HP Multi Jet Fusion de la série 5200. Ultrasint® TPU01 offre des performances de pièces solides, flexibles et durables, associées à une excellente qualité de surface et un niveau de détail élevé. Les applications typiques comprennent les équipements de protection sportive, les chaussures, les modèles orthopédiques, les composants intérieurs de voitures et divers outils industriels comme les tuyaux et les pinces.
L'Ultrasint® TPU01 ouvre des possibilités de conception illimitées : il est extrêmement facile à imprimer, possède une très grande stabilité de processus et l'un des débits les plus élevés pour les matériaux flexibles sur le marché de l'impression 3D. Ces caractéristiques uniques en font un produit parfaitement adapté à la production en série avec les imprimantes HP Multi Jet Fusion.
Technologie de lissage à la vapeur chimique PostPro
Les surfaces des matériaux imprimés présentent des surfaces rugueuses, poudreuses et poreuses, ce qui limite l'utilisation de ces pièces dans diverses applications. La machine PostPro3D d'AMT, dotée de la technologie BLAST, est capable de résoudre ces problèmes et de produire des surfaces lisses et étanches en éliminant toute poudre non frittée. Ce procédé breveté, basé sur des procédés physico-chimiques, peut lisser une variété de polymères thermoplastiques tels que le PA12, PA11, PA6, TPU, TPE, ABS et de nombreux autres matériaux imprimés en utilisant les méthodes de fusion sur lit de poudre (PBF) ou de fabrication de filaments fondus (FFF).
Au cours du processus, le matériau de la couche supérieure devient mobile et est réarrangé pour créer une surface scellée et lisse. La précision du lissage est rapidement contrôlée par le changement instantané des conditions de la chambre pour obtenir la finition de surface requise.
Le PostPro® d'AMT offre une solution de post-traitement durable pour obtenir des résultats répétables et reproductibles pour une production en gros volume. Le rendement de la machine permet d'obtenir des pièces lisses qui présentent une variation dimensionnelle négligeable ainsi que des surfaces hydrophobes scellées. Les pièces traitées atteignent non seulement des normes esthétiques élevées, mais sont également plus faciles à teindre et à revêtir, tandis que leurs propriétés mécaniques s'améliorent. Le système combine la science appliquée et une technologie facile à utiliser et peut être intégré dans des lignes de production automatiques pour améliorer les performances des polymères à l'échelle [1, 2, 3].
Méthodologie de test
Les pièces utilisées au cours de cette étude ont été imprimées sur une imprimante HP Jet Fusion 5210Pro MJF 3D. Les pièces ont été soigneusement nettoyées et dépoussiérées avant le processus de lissage chimique. Au total, 13 tests différents ont été effectués pour les pièces imprimées et post-traitées, résumés ci-dessous dans le tableau 1.
Tableau 1 : Résumé des tests effectués.
Rugosité de la surface
La rugosité de surface Ra des échantillons a été mesurée à l'aide d'un Mitutoyo Surftest SJ-210 avec un rayon de pointe de stylet de 2μm, un angle de pointe de 60° et une force de mesure de 0,75kN. Cinq mesures à différents endroits de chaque surface ont été effectuées avant et après le traitement et la moyenne a été calculée. La rugosité de surface moyenne de chaque échantillon est indiquée à la figure 2
Figure 2 : Comparaison de la rugosité de surface entre les échantillons tels qu'imprimés et ceux traités par PostPro 3D
La rugosité moyenne a été considérablement réduite, passant d'une valeur Ra imprimée de 13,42 μm à 1,18 μm, soit une réduction de la rugosité de surface de plus de 1 000 %. L'amélioration de la rugosité est assurée de manière uniforme sur toute la surface de la pièce, comme le montre la réduction de l'écart type entre les valeurs Ra sur toute la surface, de 2,01 à seulement 0,20. Les améliorations sont dues à un réécoulement contrôlé de la surface qui élimine les imperfections, les matériaux non frittés et les microfissures.
Microscopie
La microscopie de surface des surfaces Ultrasint® TPU01 lissées avec PostPro3D® a été réalisée à l'aide du microscope numérique Hirox KH-8700 avec objectif MX(G)-2016Z. Les surfaces des polymères ont été analysées à des grossissements de 40x et 100x. Les résultats sont présentés à la figure 3.
Figure 3 : Microscopie de surface des parties telles qu'elles sont imprimées (côté gauche) et lissées à la vapeur (côté droit)
Les images microscopiques (échelle μm) révèlent la présence abondante de matériaux non frittés, de microfractures et de porosité de surface sur les surfaces Ultrasint® TPU01 telles qu'elles sont imprimées (figure 3, côté gauche). Ces artefacts ont été complètement éliminés par le procédé PostPro3D®, laissant la surface lisse et uniforme.
Variation dimensionnelle
Quatre échantillons illustrés dans la figure 4 ont été imprimés pour comparer l'effet du lissage chimique en phase vapeur en post-traitement sur les dimensions des pièces. Les deux pièces ont été scannées avant et après le lissage à la vapeur chimique.
Figure 4 : Alignement optimal de la CAO et de la STL à partir du 3D-Scan.
Le scanner optique 3D ATOS Core 200 et le logiciel associé ATOS Professional de GOM ont été utilisés pour la mesure et l'évaluation ultérieure des dimensions linéaires. Le fichier STL généré par le scanner 3D est aligné sur sa conception CAO d'origine grâce à un alignement optimal (voir la figure 4 à droite). Ensuite, des plans auxiliaires sont construits sur les surfaces intérieures et extérieures, dont la distance est vérifiée, comme le montre la figure 5. Comme chaque échantillon est scanné après l'impression ainsi qu'après le lissage à la vapeur, deux "valeurs réelles" pour la même distance de plan sont obtenues pour chaque état de composant. Ces valeurs sont mises en relation l'une avec l'autre pour déterminer l'influence du lissage à la vapeur sur les dimensions de la pièce sans tenir compte de l'influence du processus de fabrication.
Figure 5 : Mesure exemplaire de la distance
La mesure de la distance a été effectuée sur les surfaces opposées à l'intérieur et à l'extérieur dans les directions x et y pour les distances de 15 mm, 45 mm, 75 mm, 105 mm, 135 mm et 165 mm. La figure 5 montre l'approche méthodique d'une mesure de distance exemplaire de 105mm des surfaces extérieures (plan 1 et plan 2) dans la direction x. La figure 6 montre les écarts dimensionnels des échantillons lissés à la vapeur dans les directions x (à gauche) et y (à droite) en mm pour les distances de 15mm, 45mm, 75mm, 105mm, 135mm et 165mm.
Les résultats révèlent un léger rétrécissement des pièces, mais aucune expansion dans quelque direction que ce soit après le traitement. Le rétrécissement atteint au maximum 1 % dans les deux sens. L'effet dimensionnel sur les pièces peut être regroupé en 3 catégories selon la taille des caractéristiques : petites caractéristiques (jusqu'à 45 mm) variant jusqu'à 1 pour cent, moyennes (45 - 105 mm) variant jusqu'à 0,39 pour cent et grandes (105-165 mm) variant jusqu'à 0,33 pour cent. Cette variation moyenne se situe dans la tolérance d'impression typique de +/- 0,30 mm pour les pièces Ultrasint® TPU01 bien conçues, comme le montre la figure 7.
Figure 7 : Écart moyen pour les parties imprimées et lissées
Propriétés mécaniques
Dix essais mécaniques différents ont été effectués sur les pièces telles qu'elles sont imprimées et sur les pièces lissées à la vapeur, résumés ci-dessous dans le tableau 2. Toutes les propriétés ont été mesurées après avoir conditionné les pièces pendant 3 jours à 23°C et 50 % d'humidité relative. Les figures 8 et 9 fournissent des représentations visuelles des résultats résumés dans le tableau 2.
Tableau 2 : Résultats des essais mécaniques avant et après le lissage chimique en phase vapeur.
Figure 8 : Propriétés mécaniques avant et après le lissage chimique de la vapeur dans la direction x/y
Figure 9 : Propriétés mécaniques avant et après le lissage chimique en phase vapeur dans la direction z
En général, les différences mesurées dans toutes les propriétés mécaniques sont limitées, ce qui montre que le procédé PostPro® 3D conserve les propriétés mécaniques intactes et ne dégrade pas le matériau. En fait, le lissage à la vapeur permet d'améliorer la dureté Shore (x/y : +3,4% ; z : +3,4%), l'allongement à la rupture (x/y : +3,4% ; z : +2,3%) et la résistance à la déchirure (Pantalon : x/y : +5% ; z : +11,8% ; Graves : x/y : +5,3% ; z+6,5%) des pièces. L'amélioration des propriétés de traction peut s'expliquer par la surface des pièces qui s'est reflétée et recristallisée, éliminant les sites d'amorçage de fissures, tandis que la dureté Shore et la résistance à la déchirure sont influencées par l'élimination de la poudre non frittée et une meilleure uniformité de surface (voir figure 3).
Conclusion
Le matériau Ultrasint® TPU01 peut être post-traité et est compatible avec la technologie de lissage PostPro3D®. Ce traitement permet d'améliorer considérablement le lissage et l'uniformité de la surface tout en conservant les principales propriétés mécaniques et les variations dimensionnelles dans des limites de tolérance largement acceptées. Les propriétés uniques de BASF Ultrasint® TPU01, associées à la technologie de lissage innovante PostPro 3D® d'AMT, permettent d'obtenir des composants imprimés en 3D de qualité supérieure avec des matériaux de fabrication additive, ce qui permet d'obtenir des pièces de haute performance pour une gamme complète d'applications.
Références
1 W. S. Syam, K. Rybalcenko, A. Gaio, J G. Crabtree, R. K. Leach, 2018. Mesure en cours de processus de la qualité de la surface pour un nouveau procédé de finition pour la fabrication d'additifs polymères. Procedia CIRP 2018 ; Vol 75, pp. 108-113.
1 W. S. Syam, K. Rybalcenko, A. Gaio, J G. Crabtree, R. K. Leach, 2019. Méthodologie de développement d'instruments de mesure optique de surface en ligne avec une étude de cas pour la finition de surface additive. Optics and Lasers in Engineering ; Vol 121, pp 271-288.
3 K. Rybalcenko, A. Gaio, L. Folgar, J. G. Crabtree, 2019.
The use of smart in-process optical measuring instrument for the automation of Additive Manufacturing process. Actes SFF 2019 ; pp. 2046-2050