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100% de remplissage, à chaque fois

Des chercheurs de l’Université du Massachusetts ont mis au point un processus d’impression 3D hybride inhabituel qui accélère et renforce les impressions.

Ils l’appellent «impression par injection», car cela pourrait être considéré comme une combinaison d’impression 3D et de moulage par injection. Le concept est en fait assez simple, mais quand vous y réfléchissez plus profondément, cela devient extrêmement complexe.

Les chercheurs ont réalisé que le processus de moulage par injection standard est beaucoup plus rapide que l’impression 3D classique, car tout le volume est créé en même temps, alors qu’un travail d’impression 3D peut nécessiter que tous les voxels de l’objet soient tracés par certains moyens. Cela peut être quelque peu accéléré par des méthodes telles que la création simultanée de couches dans des processus tels que DLP ou DLS, mais il s’agit toujours d’un processus couche par couche.

Ces mêmes couches qui définissent l’impression 3D sont généralement la partie la plus faible de l’objet final, car l’adhérence entre les couches est bien inférieure à ce que l’on trouverait dans un bloc solide de matériau moulé par injection. Ainsi, l’échec d’impression 3D typique concerne les couches délaminées.

Leur concept est d’utiliser les techniques de moulage par injection lors d’une impression 3D. Voici comment ça fonctionne:

Une imprimante 3D FFF normale construit une petite structure creuse, essentiellement des murs entourant un vide. Ensuite, un matériau chaud et fondu (le même matériau que les murs) est versé et remplit le vide. Les murs imprimés en 3D agissent comme le moule dans ce processus.

L’objet résultant est, comme vous pouvez le deviner, un remplissage solide à 100%. Mais comme le matériau de remplissage injecté se lie aux parois, la résistance globale de l’objet est beaucoup plus grande. La résistance est presque identique à celle des pièces moulées par injection car la majeure partie de la masse est essentiellement moulée par injection. Cependant, le «moule» reste une partie de l’objet final.

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J’ai vu des tentatives précédentes pour combler les vides d’impression 3D avec du matériau pour les rendre plus forts; en fait, une histoire sur cette approche est l’une de nos pièces les plus populaires. Cependant, ces techniques sont effectuées manuellement et généralement effectuées APRÈS la fin de l’impression 3D, et non pendant le processus d’impression 3D lui-même.

L’intention des chercheurs était de développer un processus qui pourrait être entièrement automatisé. Et c’est là que commence la complexité.

Considérez certains de ces défis:

Comment pouvez-vous vous assurer que le matériau de remplissage adhère bien aux murs? Les chercheurs ont finalement mis au point une technique de tranchage où les parois internes auraient des saillies occasionnelles qui pourraient attraper le remplissage injecté.

Un autre problème est la chaleur: que se passe-t-il si l’injection chauffée est si chaude qu’elle fond, se déforme ou même brise les murs? Quelle doit être l’épaisseur des murs? Quelles températures maximales peuvent être utilisées?

Les géométries posent un autre problème: s’il est facile d’imaginer des objets en forme de blocs remplis de cette manière, il existe de nombreuses géométries qui seraient pathologiquement mauvaises pour cela, comme une sculpture avec de nombreux appendices grêles.

Un autre problème de géométrie est que les vides dans un modèle 3D arbitraire peuvent ne pas être propices à l’injection à la fin de l’impression. Ils peuvent être non contigus, emprisonner de l’air ou être trop petits pour être dérangés. Cela suggère qu’une analyse complexe des vides et des séquences d’injection serait nécessaire.

Pour les vides complexes, on peut également imaginer des problèmes thermiques lorsqu’un matériau liquide pénètre dans les passages mais se refroidit en cours de route. Certaines géométries peuvent provoquer un gel prématuré des matériaux susceptibles de bloquer les flux d’injection.

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Il est également possible que, dans une petite partie, les murs imprimés en 3D ne se soient pas complètement solidifiés avant d’être soumis à une attaque de matière injectée en fusion. Cela pourrait provoquer une brèche dans les murs. Les chercheurs ont développé un moyen de segmenter les vides en seulement quelques couches, où ils seraient remplis par injection. Ainsi, la pièce imprimée en 3D pourrait finir par être un damier tridimensionnel de vides remplis entourés d’un matériau imprimé en 3D.

Les chercheurs ont également découvert que la plupart des imprimantes 3D FFF avaient la capacité d’effectuer ce processus dans une certaine mesure. Ils ont calculé que la chaleur potentielle et le débit de la plupart des systèmes d’extrusion seraient suffisants pour déverser le matériau d’injection si tel était le cas. Cependant, ils recommandent d’utiliser des têtes d’outils alternatives optimisées pour le débit si la pleine vitesse est requise.

Ils pensent que le processus pourrait produire des pièces jusqu’à 3 fois plus rapidement que l’impression 3D normale, mais avec des résultats beaucoup plus solides.

On ne sait pas où cette invention peut aller, car elle n’est disponible dans aucune imprimante 3D actuelle dont nous ayons connaissance. Il est possible que les chercheurs brevetent le procédé et éventuellement le commercialisent d’une manière ou d’une autre.

Je peux imaginer une future imprimante 3D qui aurait une deuxième tête d’outil à cet effet, accompagnée d’un logiciel de tranchage sophistiqué pour les piloter tous les deux. Les pièces résultantes pourraient être beaucoup plus solides et obtenues en un temps record.

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