Comprendre les tolérances d'ajustements mécaniques de pièces imprimées en 3D

Les concepts de tolérance et d'ajustement sont essentiels en ingénierie de conception d'assemblages mécaniques.

Prendre en compte les tolérances optimise finalement tant le processus de prototypage que celui de production, en réduisant le coût des matériaux lié aux itérations et le temps consacré au traitement après impression, et en atténuant le risque que des pièces se brisent accidentellement.

En usinage traditionnel, les coûts augmentent exponentiellement lorsque les valeurs de tolérance deviennent de plus en plus faibles. Un intervalle de tolérance faible implique des phases d’usinage plus nombreuses et plus lentes qu'un intervalle plus large. Les pièces usinées sont donc conçues avec des intervalles de tolérance les plus larges acceptables pour une application donnée.

Contrairement à l'usinage, l'impression 3D par stéréolithographie (SLA) se fait en une seule phase de production automatisée. Imposer des intervalles de tolérance faibles peut demander plus de travail au moment de la conception, mais se traduira par des économies de coûts et de temps substantielles lors du prototypage et de la production.

Dans ce post, nous exposerons les cas où la définition de tolérances est la plus importante pour l'impression 3D SLA. Nous présenterons également les bases des ajustements avec jeu, avec jeu incertain et avec serrage, et les raisons de leur choix dans différents types d'assemblage.

La tolérance est l'intervalle de valeurs que peuvent prendre les dimensions de pièces au moment de leur fabrication.

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Définition des tolérances pour des assemblages de grande taille et la fabrication de petites séries

Du fait de son coût statique par pièce, l'impression 3D SLA est un procédé rentable de prototypage et de fabrication de petites séries, en particulier pour des pièces sur mesure qui nécessiteraient sinon des investissements importants dans la fabrication de moules.

La finition manuelle d'une pièce imprimée en 3D peut s'avérer une méthode raisonnable pour que son ajustement soit correct, en intégrant à sa conception une définition des tolérances dimensionnelles adéquat. Mais elle devient vite coûteuse lorsque les assemblages sont très nombreux ou de grande taille, du fait du temps requis pour leur post-traitement.

L'impression 3D SLA propose une large gamme de matériaux techniques, depuis des résines utilisables à haute température pour réaliser des moules, à celles qui supportent des contraintes et des déformations importantes ou résistent à l'usure. Téléchargez notre livre blanc « Ajustement mécanique : optimisation de la conception d’assemblages imprimés en 3D » pour connaitre les tolérances recommandées à la conception pour les matériaux Tough Resin et Durable Resin de Formlabs.

Choix du meilleur type d'ajustement mécanique

Pour bien comprendre les tolérances optimales et les appliquer à la conception, il est important de déterminer le type d'ajustement qui fonctionnera le mieux pour l'assemblage considéré.

Ce sont les besoins fonctionnels de l'assemblage qui définissent comment les pièces devront s'assembler.

Ils se classent en trois types : ajustements avec jeu, ajustements avec jeu incertain et ajustements avec serrage. Chacun des types se divisent ensuite en deux sous-catégories principales.

Ils se classent en trois types : ajustements avec jeu, ajustements avec jeu incertain et ajustements avec serrage. Chacun des types se divisent ensuite en deux sous-catégories principales.

Il existera toujours des variations dans les tolérances selon les différentes méthodes de fabrication. Les ajustements forment donc un continuum plutôt que des classes bien séparées. Par exemple, augmenter la tolérance d’un ajustement avec jeu favorise la liberté de mouvement aux dépens de la précision. Les ajustements incertains plus serrés sont plus solides mais l’assemblage est soumis à une contrainte plus forte. Un ajustement serré requiert plus de force appliquée à l’assemblage, mais sera plus difficile à désassembler.

Ajustement avec jeu

Pour que l’une des pièces puisse se mouvoir librement, il faut qu’un espace libre existe entre leurs surfaces actives. Il faut pour cela s’assurer que les zones de tolérance de chacune des surfaces actives ne se recouvrent pas.

Une surface active est une région du modèle où deux surfaces se touchent, avec ou sans mouvement l'une par rapport à l'autre.

Sous-catégories

  • Un ajustement coulissant présente un jeu latéral, alors qu’un ajustement tournant ne présentera pratiquement pas de jeu.
  • Un ajustement tournant présente plus de frottement mais un mouvement plus précis.

Le jeu est un espace libre permettant un mouvement dans une direction incertaine à l’intérieur d’un assemblage mécanique.

Ajustement avec jeu incertain

Si les pièces n'ont pas besoin de bouger l'une par rapport à l'autre, un ajustement avec jeu incertain facilitera l’assemblage et le désassemblage. L’ajustement avec jeu incertain présente des intervalles de tolérances qui se recouvrent.

Sous-catégories

  • Dans un ajustement par clavetage, l’une des pièces s'insère avec précision dans l’autre ou autour d’elle. Elles s’assemblent ou se désassemblent en appliquant une force de faible intensité.
  • Un ajustement dur demandera une force de plus haute intensité pour assembler et désassembler les pièces, mais cela pourra encore se faire manuellement.

Ajustement avec serrage

Un ajustement avec serrage fournit un assemblage rigide et solide, mais requiert à l’assemblage une force de bien plus grande intensité. Dans ce cas, les zones de tolérance se recouvrent complètement.

Sous-catégories

  • Un ajustement pour emmanchement en force requiert une force de grande intensité à l’assemblage, produite généralement à l’aide d’un outil tel un marteau. L’assemblage est conçu pour être permanent.
  • Avec un ajustement pour emmanchement à la presse, l’assemblage requiert une force encore plus importante, produite par une presse ou un outil équivalent.

Réussir la conception d'assemblages imprimés en 3D

Les types d'ajustement pour des formes géométriques courantes sont largement applicables à de nombreux assemblages. Une fois que vous connaissez le meilleur ajustement, il vous faudra choisir les matériaux et les tolérances pour la conception. Notre livre blanc « Ajustement mécanique : optimisation de la conception d’assemblages imprimés en 3D » cherche à vous aider pour prendre ces décisions.

Téléchargez ce livre blanc pour connaitre en détail comment mesurer et appliquer des tolérances pour chaque type d'ajustement, avec des recommandations spécifiques aux matériaux Formlabs, Tough Resin et Durable Resin. Il comporte également des liens vers des modèles d'essais téléchargeables, ainsi que des suggestions relatives aux lubrifiants, aux composants collés et à l'usinage.

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