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Exactitude, précision et tolérance en impression 3D

Ce n’est pas seulement parce que votre imprimante a une “résolution” élevée que les pièces imprimées seront précises ou exactes.

Il faut absolument comprendre la signification des termes exactitude, précision et tolérance pour obtenir de bons résultats en impression 3D, quelle que soit son application. Dans ce post, nous analyserons en détail ces termes et les expliquerons dans le cadre de l’impression 3D.

Avez-vous remarqué que nous avons mis résolution entre guillemets ? La résolution est un concept compliqué en soi. Pour en savoir plus sur la signification des expressions taille minimum des caractéristiques, résolution XY et résolution Z, consultez notre guide.

Définition de l’exactitude, de la précision et de la tolérance

Commençons par les définitions pour distinguer les différences entre exactitude, précision et tolérance. Pour chaque terme, nous allons utiliser une cible à fléchettes pour visualiser ce qu’ils signifient. C’est une façon courante d’aborder ces concepts.

Exactitude

L’exactitude décrit comment une mesure se rapproche de la valeur vraie. Sur la cible, ce serait le mille. Plus la fléchette se rapproche du mille et plus votre lancer est exact. En impression 3D, la valeur vraie est celle des dimensions de la représentation en CAO. Comment la pièce imprimée s’aligne-t-elle sur sa représentation en CAO ?

Précision

La précision décrit la répétabilité d’une mesure. Comment vos fléchettes se groupent sur la cible ? La précision mesure uniquement la cohérence de vos lancers. Les fléchettes peuvent atteindre à peu près le même point sur la cible, même si ce n’est pas le mille. Cette notion se traduit par la fiabilité de l’impression 3D. Pouvez-vous attendre de l’appareil qu’il reproduise les mêmes résultats à chaque impression ?

4 cibles de fléchettes qui démontrent les différences entre exactitude et précision.

Dans le jargon de l'ingénierie, la « précision » mesure généralement la répétabilité. Lorsqu’on compare des résines pour l’impression 3D, on dit qu’une résine est précise lorsqu’elle permet l’impression de géométries très compliquées. Par exemple, la résine Formlabs Grey Pro et la résine Rigid produisent des pièces imprimées au module de Young élevé, c’est-à-dire rigides, ce qui permet de fabriquer des objets présentant des détails fins et complexes.

Tolérance

De quelle précision avez-vous exactement besoin ? C’est ce que définit la tolérance, et c’est vous qui la définissez. De quelle marge de manœuvre disposez-vous dans votre application ? Quel intervalle de variation pouvez-vous accepter par rapport à la précision que vous obtenez ? Tout dépendra de votre projet. Un composant d’un assemblage mécanique dynamique devra respecter des tolérances plus strictes qu’un simple boîtier en plastique.

Si vous définissez une tolérance, vous souhaiterez également de l'exactitude. Supposons que nous sommes en train de mesurer la précision de votre lancer pour atteindre le mille. Nous avons déclaré précédemment que les lancers sur la cible de droite n’étaient pas précis.

Deux cibles démontrant la différence entre exact et précis.

Cependant, si l’intervalle de tolérance que vous avez défini est assez large, ces lancers sont acceptables. Les fléchettes ne sont pas aussi rapprochées entre elles que sur la cible de gauche, mais, si l’intervalle de précision acceptable est de ±2,5 anneaux, alors les spécifications sont respectées.

Généralement, atteindre et respecter des tolérances élevées se traduisent par des coûts de fabrication plus élevés et un meilleur gage de qualité.

Exactitude et précision appliquées à l’impression 3D

De nombreux facteurs différents sont à prendre en compte lorsqu’on considère l’exactitude et la précision en impression 3D, mais il est tout aussi important de bien connaître vos besoins spécifiques.

Par exemple, une imprimante précise mais non exacte peut être appropriée pour certaines applications. Un appareil d’impression par dépôt de fil fondu (FDM), peu coûteux, produira des pièces moins exactes, mais, pour un enseignant qui initie ses élèves à l’impression 3D, l’exactitude de la pièce par rapport au modèle réalisé en CAO par l’élève n’est peut-être pas si importante.

En revanche, il peut être crucial dans d’autres cas que l’imprimante produise des résultats constants et des pièces de qualité attendue, dans les limites des tolérances définies habituellement par son utilisateur.

Comparez les procédés d'impression 3D FDM, SLA et SLS.

Quatre facteurs importants entrent en jeu pour définir l’exactitude et la précision d’une imprimante 3D :

Le procédé d'impression 3D

L’impression 3D est un procédé additif, où les pièces sont fabriquées couche par couche. Chaque couche ajoutée augmente le risque d’inexactitude, et le procédé de fabrication de la couche affecte le niveau de précision (la répétabilité), de l’exactitude de chaque couche. Par exemple, avec le procédé FDM, les couches sont obtenues par extrusion du matériau par une buse. Ce procédé ne remplit pas les critères de contrôle de la buse et donc de reproduction de détails complexes, qui sont pourtant possibles via d'autres technologies.

Une vue macro de pièce réalisée sur une imprimante FDM.
Les couches étant fabriquées par extrusion, les pièces obtenues par FDM peuvent présenter des erreurs à proximité des parties complexes. Cette pièce avec supports solubles a été imprimée sur une imprimante FDM industrielle Stratasys uPrint.

Avec le procédé d’impression stéréolithographique (SLA), la résine liquide est polymérisée par couche par un laser très précis, qui permet l’impression de détails bien plus fins et présente une fiabilité plus grande pour produire de façon répétée des résultats de grande qualité. De façon similaire, le procédé d’impression par frittage sélectif (SLS) utilise un laser de précision pour transformer de la poudre de nylon en pièces solides.

Les seules spécifications de l’imprimante ne représentent pas l’exactitude des pièces produites. La description de l’exactitude par la résolution XY est l’une des erreurs couramment rencontrées dans la comparaison des procédés.

Dans le cas de l’impression par traitement numérique de la lumière DLP (Digital Light Processing), la résolution XY est la taille des pixels projetés. De nombreux systèmes d’impression 3D utilisent cette grandeur ou bien la résolution XY pour définir l’exactitude globale. Ils utilisent une taille de pixels projetés de 75 microns et déclarent que l’exactitude de l’appareil est de ±75 microns.

Cette donnée n’a aucune conséquence sur ce que sera l’exactitude de la pièce imprimée. Il existe de nombreuses sources d’erreur qui affectent aussi l’exactitude, allant des composants jusqu’à la calibration. Nous en aborderons deux : les résines et le post-traitement par cuisson UV.

La meilleure manière d’évaluer une imprimante 3D est d’observer des pièces imprimées.

Matériaux d’impression

L’exactitude peut également dépendre des résines utilisées et de leurs propriétés mécaniques, qui peuvent aussi influencer la déformation éventuelle des pièces.

Un ventilateur imprimé avec la résine Rigid de Formlabs.
Le module d’élasticité de pièces brutes en résine Rigid de Formlabs, ou module avant cuisson UV, est élevé, ce qui permet des impressions de pièces très fines avec précision et moins de risque d’erreur.

Là aussi, tout dépend de ce que vous voulez faire. En impression 3D pour l’odontologie, l’exactitude est cruciale. Mais, si vous imprimez un modèle d’un concept de produit pour en avoir une représentation physique, alors l’exactitude aura moins d’importance.

Une étude d'exactitude de la résine Dental Model de Formlabs.
Les marges, les surfaces des dies et les points de contact imprimés en résine Dental Model de Formlabs présentent une exactitude de ±35 microns par rapport au modèle numérique pour plus de 80% des points de surface, avec une impression à 25 microns. L’exactitude du maxillaire complet se situe à ±100 microns pour 80% des surfaces, pour une impression à 25 ou 50 microns.

Post-traitement par cuisson UV

Les pièces ont souvent besoin de subir une cuisson UV après impression, et cette opération peut entraîner une contraction de la matière. Cette réaction est normale pour toute pièce imprimée par les procédés SLA ou DLP et il faudra en tenir compte à la conception, en fonction du type d’imprimante. Le logiciel gratuit de préparation des fichiers d’impression PreForm de Formlabs compense automatiquement cette contraction pour garantir l’exactitude des dimensions des pièces après cuisson UV, par rapport à celles du modèle CAO.

Comment fonctionne la cuisson UV après impression? Consultez notre article pour en savoir plus sur les effets dún post-traitement par cuisson UV sur l'aspect et les propriétés mécaniques de vos impressions.

Écosystème

La réussite de vos impressions 3D exige un soin qui dépasse celui porté à l’imprimante elle-même, et de prendre en compte le processus complet.

Le logiciel de préparation des impressions, les résines et les outils de traitement après impression contribuent tous à la qualité des résultats. Globalement, des systèmes intégrés conçus pour travailler ensemble produisent des résultats plus fiables.

Définition des tolérances en impression 3D

Contrairement à l’usinage, pendant lequel les pièces sont progressivement travaillées pour atteindre les tolérances strictes, l’impression 3D ne comporte qu’une seule phase de production automatisée. Les opérations complexes de surfaçage augmentent les coûts d’un procédé de fraisage numérique commandé par ordinateur (CNC) par exemple. En revanche, ajouter de la complexité en impression 3D n’augmente pas les coûts, bien qu’il ne soit pas possible d’affiner automatiquement les tolérances d’une pièce imprimée au-delà de ce que peut produire l’imprimante, sans avoir recours alors à des procédés soustractifs.

L’impression 3D est une excellente option si vos pièces présentent une complexité moyenne, avec des surfaces et des coupes compliquées mais ne nécessitant pas de précision de surface supérieure à celle de l’usinage standard, ±0,005 po (0,127 mm). Des tolérances supérieures à ces valeurs peuvent être atteintes à l’aide de procédés soustractifs, manuellement ou bien par usinage, tant pour les pièces imprimées en 3D que pour celles fabriquées par des machines à commande numérique pilotées par ordinateur (CNC).

Le procédé SLA est celui qui présente la tolérance la plus élevée de tous les procédés d’impression 3D. Par rapport de l’usinage, la précision de l’impression SLA se situe entre celle de l’usinage standard et celle de l’usinage de finition.

Généralement, les matériaux plus souples ont un intervalle de tolérance plus large que des matériaux plus rigides. Lorsqu’on imprime des pièces pour qu’elles soient assemblées, une tolérance et un ajustement corrects doivent être prévus à la conception pour réduire la durée des traitements après impression, faciliter l’assemblage et diminuer le coût en résine des itérations. Notre livre blanc “L'ajustement en ingénierie : optimiser la conception pour des assemblages fonctionnels imprimés en 3D” explique en détails comment définir les tolérances et les ajustements pour les résines SLA, et présente des courbes de données spécifiques aux résines Formlabs Tough et Durable.

Optimiser les assemblages fonctionnels imprimés en 3D

Une variété de pièces imprimées en 3D avec les résines techniques Formlabs.

Plus d’informations sur les imprimantes 3D

Il existe un grand nombre de paramètres à prendre en compte pour évaluer des imprimantes 3D. Vos pièces doivent-elles être isotropes ? Quelles sont les propriétés mécaniques que doivent présenter vos pièces (et donc les résines) ? L’un des meilleurs moyens pour commencer est de voir vous-même des pièces imprimées. Choisissez l’un des échantillons gratuits que Formlabs a réalisé à partir de différentes résines pour juger vous-même de la qualité du procédé SLA.

Demander un échantillon imprimé en 3D