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Aug 11, 2023

Effet des paramètres d'impression sur la fabrication additive de pièces métalliques : aspects performances et durabilité

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19292 (2022) Citer cet article

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Dans cette étude, les effets des paramètres d'impression sur les propriétés mécaniques des pièces métalliques fabriquées de manière additive ont été étudiés à l'aide d'un test de traction. Les spécimens en acier inoxydable 17-4 PH avec deux paramètres d'impression, y compris la densité de remplissage et l'orientation du motif, ont été fabriqués par fabrication additive (AM) en utilisant la technique de dépôt de métal lié (BMD). Les propriétés mécaniques considérées dans cette étude sont le module d'Young et la résistance ultime à la traction. Les résultats démontrent que les orientations du motif n'affectent pas le module de Young de l'échantillon de remplissage avec le motif triangulaire. En revanche, la résistance ultime varie considérablement en fonction des orientations du motif, où les échantillons avec l'orientation du motif de zéro degré donnent la meilleure résistance ultime. En effet, les propriétés mécaniques des éprouvettes de remplissage augmentent avec leur densité de remplissage. Cependant, lorsque le coût et le temps d'exploitation sont pris en compte, un indice d'estimation de la performance et de la durabilité est par conséquent établi. La relation entre la résistance ultime normalisée d'un échantillon de remplissage et la densité relative est définie comme l'efficacité pondérale. L'indice d'évaluation d'un produit durable est caractérisé par l'efficacité pondérale par rapport au(x) paramètre(s) durable(s). L'indice peut aider les utilisateurs finaux à sélectionner une densité de remplissage appropriée pour les produits AM en tenant compte du coût et du temps d'exploitation. Différents modèles de coûts, y compris les coûts des matériaux uniquement, les coûts directs et les coûts totaux, peuvent être inclus dans le modèle d'indice pour évaluer un produit durable dans un contexte de coût particulier.

La prolifération du développement humain au XXIe siècle implique un changement fondamental dans la révolution technologique et la vie humaine, connu sous le nom de quatrième révolution industrielle ou industrie 4.0. La civilisation est au bord d'une nouvelle révolution industrielle pour accroître les performances industrielles mondiales et améliorer la qualité de vie dans le monde entier, grâce aux technologies de fabrication et aux systèmes d'information modernes. Une nouvelle génération de systèmes de fabrication peut fournir des processus et des technologies optimaux, c'est-à-dire l'intelligence artificielle, la robotique, l'Internet des objets et la fabrication additive (FA), pour une production flexible avec des gains d'efficacité et de productivité à long terme1,2,3. Parmi les avancées technologiques, la FA est considérée comme un processus de fabrication crucial pour l'industrie 4.0. La fabrication additive est une technique de fabrication permettant de fabriquer des pièces à partir d'un fichier de conception assistée par ordinateur (CAO) en trois dimensions (3D), également appelée impression 3D. Il permet sans effort la fabrication de pièces complexes aux formes libres par un processus couche par couche4. Cette technique a moins de déchets dans le processus de fabrication que les processus soustractifs traditionnels, par exemple, les machines à commande numérique par ordinateur (CNC), les jets d'eau et la découpe au laser. Étant donné que les pièces AM peuvent être conçues avec une plus grande liberté de forme et moins de déchets de fabrication, la FA peut être appliquée comme un nouveau processus de fabrication pour des produits concevables et personnalisables, créant potentiellement un nouveau modèle commercial.

En plus d'être une technologie motrice de l'Industrie 4.0, la FA peut être considérée comme une technologie durable pour l'environnement puisque la technologie produit moins de déchets et peut utiliser des matériaux recyclés dans la fabrication. C'est un processus productif qui peut réduire considérablement les émissions mondiales de gaz à effet de serre. La production massive de matières premières dans les secteurs industriels et leur empreinte environnementale potentielle peuvent potentiellement être réduites grâce aux technologies de FA. Dans ce cas, la FA peut offrir des opportunités pour accroître la durabilité environnementale dans diverses industries. Autrefois, la durabilité se définissait en mettant l'accent sur l'aspect environnemental. Actuellement, la définition inclut également des aspects sociétaux et économiques, que la technologie AM aborde également5. Se référant aux principes des 6R (réduire, récupérer, recycler, réutiliser, reconcevoir et reconditionner)6, la FA offre une possibilité de développement durable, améliorant les impacts sociaux et économiques de l'ensemble du cycle de vie du produit7,8. La FA permet le développement simultané de la préservation de l'environnement et de la croissance économique, optimisant ainsi la consommation et préservant les ressources pour la vie humaine. À la lumière des mécanismes du développement économique, une économie circulaire et l'utilisation des ressources sont étroitement liées. Si la consommation de matériaux et d'énergie dans les industries peut être réduite et contrôlée, les modèles commerciaux traditionnels peuvent bientôt être transformés en modèles d'économie circulaire durable1,9.

La technologie AM a commencé dans les années 1980 en tant que technique de création de prototypes. Au fil des ans, plusieurs techniques de FA ont été proposées pour des applications appropriées et une utilisation conviviale. Ces avancées donnent à la fabrication additive plus d'avantages dans la fabrication, tels qu'un prototypage plus facile, aucun outil ni aucune compétence spéciaux requis, un potentiel de productions personnalisées massives, une réduction du temps et des coûts et une production durable8,10. De plus, grâce à la capacité de fabrication à la demande, la FA peut raccourcir les chaînes d'approvisionnement, réduire les besoins de stockage et les coûts de livraison, et fournir un délai plus court pour les pièces de rechange11. Ces avantages font de la fabrication additive un processus de fabrication et de logistique moderne et plus accessible, en particulier pour les petites entreprises avec des produits innovants conçus elles-mêmes. Pour les grandes entreprises, la technologie AM a été largement adoptée pour diverses applications, par exemple dans les industries aéronautique, aérospatiale, automobile, biomédicale et électronique12,13,14,15,16. De nombreux types de matériaux, par exemple des polymères, des céramiques et des métaux, peuvent être utilisés dans sa production. Avec les innovations continues des technologies et des matériaux de FA et l'application dans divers marchés de production et industriels, les investissements dans la FA ont considérablement augmenté au cours de la dernière demi-décennie. Après que la pandémie de COVID-19 s'est quelque peu calmée, de nombreuses industries sont entrées dans une période d'avancement et d'investissement. Selon le rapport Wohlers 202217, l'industrie de la FA a augmenté de 19,5 % en 2021, contre une croissance de 7,5 % en 2020, au début de l'épidémie de COVID-19. De plus, AMPOWER, le cabinet de conseil leader dans le domaine industriel de la FA, a prédit que le marché de la FA connaîtra une croissance annuelle de 18,2 % au cours des quatre prochaines années. Ce rapport implique que le secteur global de l'impression 3D vaudra environ 20 milliards d'euros d'ici 202618.

Parmi les matériaux de FA, les métaux ont reçu plus d'attention de la part des chercheurs et des industries dans de nombreux domaines. La FA métallique devrait atteindre une croissance annuelle de plus de 29 % de 2021 à 202519. Une technique de FA conventionnelle pour les pièces métalliques est la fusion sur lit de poudre (PBF), qui étale la poudre pour former une pièce métallique fusionnée sélectivement par un faisceau à haute énergie. Cependant, cette technique nécessite des règles de sécurité strictes et est une opération coûteuse. Une méthode alternative récente de FA en métal est la technique basée sur l'extrusion basée sur le processus de fabrication de filaments fondus (FFF), dans lequel les filaments fondus sont mélangés à partir de polymère, de liant et de poudre d'un matériau. Desktop Metal Inc. (DM) a proposé une technique de fabrication additive métallique basée sur l'extrusion, appelée dépôt de métal lié (BMD), en remplaçant la matière première traditionnelle par du métal, tel que l'acier inoxydable, le cuivre et le titane, dans les filaments.

La technique BMD permet aux producteurs utilisateurs finaux de personnaliser leurs pièces métalliques. Avec des densités et une précision des caractéristiques similaires à celles du moulage, BMD peut fabriquer des pièces difficiles à usiner présentant une géométrie complexe. Il peut également personnaliser les pièces métalliques pour qu'elles aient des éléments de remplissage ou entièrement denses en fonction des exigences de résistance et de poids. Bien que leurs produits présentent certains inconvénients, à savoir la porosité20 et la rugosité de surface, le BMD offre moins d'étapes, des supports amovibles sans effort et une interface utilisateur conviviale avec des instructions étape par étape. Par conséquent, cette technique rend la production de pièces métalliques plus accessible et plus sûre sans poudres métalliques libres ni lasers et moins d'intervention de l'opérateur. Dans le processus d'impression, il y a deux extrudeuses contenant des tiges métalliques et des tiges en céramique pour former un objet 3D en métal et un support en céramique, respectivement. Après cela, le liant est dissous dans le processus de déliantage et densifié dans le processus de frittage21,22. En termes d'utilisation de pièces AM dans des applications d'ingénierie, les performances mécaniques des pièces AM peuvent être modifiées en modifiant les paramètres d'impression (par exemple, la densité de remplissage et l'orientation de l'impression). Si une certaine résistance est requise de la pièce pour une application, le réglage approprié de ces paramètres doit être pris en compte. Sinon, une pièce avec une résistance supérieure à l'exigence impacte inutilement le temps et les coûts de fabrication. Par conséquent, l'optimisation de la résistance et des coûts de fabrication d'une pièce AM est importante. Du point de vue de la durabilité, la pièce doit avoir une résistance optimisée associée à un coût et un temps de production raisonnables.

Au cours des dernières années, bien que de nombreux aspects du comportement des produits de FA aient été largement étudiés et publiés par de nombreux chercheurs21,23,24,25,26,27,28, la FA utilisant la technique BMD n'a pas été suffisamment explorée, notamment en termes de durabilité. Comme mentionné précédemment, la technologie BMD permet une production à faible volume et des pièces métalliques économiques avec plus de sécurité dans le processus de fabrication, ce qui profite aux petites entreprises, aux inventeurs et aux utilisateurs universitaires pour développer leurs produits en tant que concepteurs et fabricants. Néanmoins, pour obtenir une production plus efficace et durable, la gestion des ressources avec le contrôle des paramètres d'impression appropriés pour les performances de la pièce BMD ainsi que le temps et le coût de fabrication doit être envisagée, en particulier pour les petits fabricants. Étant donné que BMD ouvre une large gamme d'applications pour les pièces AM avec boîtiers, il est important d'optimiser le remplissage de la structure en treillis interne qui permet une résistance spécifique et un poids léger. En général, une relation entre la performance et la quantité de matière utilisée doit être optimisée. Le temps d'exploitation et le coût lié à la quantité de matière utilisée dans le procédé sont des variables importantes pour une gestion durable. Un indicateur évaluant à la fois les performances et la durabilité de la production AM doit être utilisé pour obtenir des pièces AM fonctionnelles avec un temps et un coût optimaux.

À notre connaissance, il n'existe aucun rapport sur la relation entre la performance et la durabilité des produits AM utilisant la BMD, qui est vitale pour établir une production durable. Cette étude aspire à étudier les effets des paramètres d'impression sur les performances mécaniques et la durabilité des spécimens métalliques de FA avec la technique BMD. Les spécimens avec deux ensembles de paramètres d'impression, c'est-à-dire la densité de remplissage et l'orientation du motif, sont testés à l'aide d'un test de traction pour déterminer les performances mécaniques. La relation entre la performance (résistance à la traction ultime) et la durabilité (temps et coût de fabrication) des éprouvettes avec des densités de remplissage variées est définie comme un indice pour les produits durables. Ce document fournit un cadre permettant aux utilisateurs finaux et aux prosommateurs de sélectionner les paramètres d'impression appropriés pour leurs produits AM en fonction de l'indice lié à la performance et à la durabilité. De plus, bien que la FA soit qualifiée de processus de fabrication durable, il n'existe aucune manière explicite d'indiquer le niveau de durabilité des produits FA. L'indice de cette étude vise donc à proposer un moyen d'évaluer la durabilité des produits AM.

Dans cette étude, des essais de traction sont effectués pour évaluer les propriétés mécaniques des éprouvettes AM avec la technique BMD. Les spécimens, en acier inoxydable 17-4 PH, ont été préparés pour le test basé sur la norme ASTM avec deux paramètres d'impression pris en compte. Le premier paramètre considéré est la densité de remplissage des spécimens AM, qui peut être modifiée en ajustant le réglage des paramètres d'impression des spécimens via le navigateur Web d'un DM. Quatre densités de remplissage sont prises en compte : 16 %, 20 %, 24 % et l'équivalent plein solide, comme illustré à la Fig. 1. Notez qu'un motif triangulaire est un motif de remplissage par défaut de l'imprimante et que la densité peut être modifiée en modifiant les tailles des mailles unitaires triangulaires.

Spécimens AM avec différentes densités de remplissage.

Le deuxième paramètre considéré est l'orientation du motif de remplissage, posé sur le plan \(xy\), comme illustré à la Fig. 2a. Les orientations variées ont été définies en ajustant la direction de la trame sur le plan horizontal par rapport à la plate-forme d'impression pour obtenir des spécimens avec une rigidité capable21. Trois directions de motif différentes sont considérées, c'est-à-dire le motif avec des angles de trame de 0, 15 et 30 degrés, comme illustré à la Fig. 2b. Pour les angles raster compris entre 0 et 90 degrés, les orientations du motif de remplissage avec 0, 15 et 30 degrés donnent le même résultat que celles avec 60, 45/75 et 90, respectivement. De plus, les motifs de remplissage avec des orientations différentes répéteront les mêmes motifs tous les 90 degrés. Par conséquent, dans cette étude, les angles raster de 0/60, 15/45/75 et 30/90 sont utilisés pour représenter les angles perpendiculaires dans d'autres quartiers. Dans cette enquête, des spécimens de remplissage sans parois latérales sont utilisés pour tous les échantillons. Notez que les dimensions de l'échantillon sont légèrement différentes car elles sont conçues pour avoir huit cellules unitaires complètes le long des bords courts et la même densité.

(a) Directions de trame sur le plan \(xy\) de la plate-forme d'impression. (b) Les spécimens AM avec différentes orientations de motif de remplissage.

Le module de Young et la résistance ultime à la traction sont les propriétés mécaniques des éprouvettes AM considérées dans cette étude. Le détail de la collecte des données se trouve dans la section de la conception expérimentale.

Pour l'étude des échantillons avec différentes densités de remplissage, les poids de chaque échantillon de remplissage de la Fig. 1 sont mesurés pour calculer leurs densités relatives, définies comme le rapport entre le poids moyen de l'échantillon de remplissage et son homologue entièrement solide. Les valeurs moyennes de la densité relative, du module de Young et de la résistance ultime sont présentées dans le tableau 1.

Selon une fiche technique fournie par DM, le module de Young et la résistance ultime des éprouvettes d'acier inoxydable 17-4 PH fabriquées par l'imprimante 3D métal sont respectivement de 195 GPa et 1042 MPa29. Avec la même norme de test, le module de Young et la résistance ultime obtenus dans cette étude sont respectivement d'environ 81,69% et 81,79% de ceux de la fiche technique. L'écart peut se produire en raison de divers facteurs dans les processus de fabrication. Pour cette raison, une étude expérimentale pour un contexte d'impression spécifique est essentielle pour évaluer les propriétés mécaniques des pièces AM.

L'efficacité pondérale des éprouvettes de remplissage avec les rigidités considérées, y compris le module de Young et la résistance ultime, est présentée sous forme de valeurs normalisées dans le tableau 2. Ces valeurs ont été calculées à partir de l'équation. (2) et utilisé pour comparer l'efficacité entre les spécimens de remplissage avec différentes densités. Les résultats montrent que plus la densité de remplissage est élevée, plus les éprouvettes sont efficaces. Néanmoins, ce comportement n'est pas linéaire car l'efficacité pondérale augmente rapidement lorsque l'échantillon approche du plein solide. Ainsi, l'échantillon entièrement solide est le meilleur choix si seule la résistance est la principale considération. D'autre part, si le poids ou le coût est considéré comme un besoin supplémentaire, la condition optimale pour les pièces AM tenant compte à la fois de la résistance et du poids ou du coût est nécessaire, discutée dans l'aspect durabilité dans la section suivante.

Pour l'étude des échantillons avec différentes orientations de motif, une densité de remplissage de 12 % a été utilisée pour tous les échantillons, dont la densité relative mesurée était de 36,12 %. Les valeurs moyennes du module de Young et de la résistance ultime sont présentées dans le tableau 3.

On peut voir que l'orientation du motif n'affecte presque pas le module de Young des spécimens. Pour cette raison, les spécimens peuvent être imprimés dans n'importe quelle direction sur le plan \(xy\) et donner la même capacité de charge dans toute la région élastique. En revanche, les directions de charge appliquées sont significatives pour la résistance de l'éprouvette car la fluctuation de la résistance ultime se manifeste lors du changement d'orientation du motif. Les pièces avec l'orientation de 0/60 degrés présentent une résistance ultime plus élevée que celles avec les orientations de 15/45/75 et 30/90 degrés (1,47 et 1,30 fois plus élevées, respectivement). Les pièces AM avec une orientation de motif de 0/60 degrés doivent être prises en compte dans la conception des paramètres d'impression pour supporter des charges afin de garantir que les pièces produisent une résistance ultime maximale dans le plan.

Puisqu'un échantillon de remplissage avec un motif triangulaire peut être traité comme une structure en treillis avec des cellules unitaires triangulaires, le module de Young effectif d'un tel treillis peut être prédit en utilisant la forme fermée obtenue à partir de la littérature30. Le spécimen avec les parois latérales non fermées et l'orientation du motif de 0/60 degrés, comme le montre la figure 2, est concordant avec une structure en treillis, et le module de Young peut être calculé à l'aide de l'équation. (1). Dans la validation, la valeur du module de Young obtenue à partir de l'expérience du tableau 3 est comparée à celle calculée à partir de l'Eq. (1), qui est égal à 23,107 GPa. Un bon accord est observé avec une erreur de 3,10 %.

Pour comparer les résultats de cette étude avec des travaux connexes, l'efficacité pondérale de l'éprouvette de remplissage avec l'orientation de 0/60 degrés (voir Fig. 2) a été comparée à celle obtenue à partir de la littérature. L'efficacité du poids peut être calculée à l'aide de l'équation. (2) en utilisant le module de Young comme raideur considérée. Les résultats obtenus à partir de cette étude et des travaux connexes sont de 0,35, 0,3430, 0,3331 et 0,3532. Ces résultats sont bien cohérents et confirment les résultats expérimentaux de cette étude.

De plus, en remplaçant l'Eq. (1) dans les éq. (3) et (4), le module de Young dans le plan des éprouvettes dans d'autres directions peut être calculé. Les résultats du module de Young des spécimens avec différentes orientations allant de \ (0 \) à 360 degrés, obtenus à partir des formules et de l'expérience, sont tracés à la Fig. 3. La transformation du module de Young, obtenue à partir des équations. (3) et (4), est illustré par la ligne bleue, tandis que les résultats expérimentaux du module de Young de l'échantillon avec les différentes orientations du motif sont présentés par les points verts. On peut voir dans le tracé polaire isotrope que les deux résultats sont similaires pour toutes les directions correspondantes avec une erreur absolue inférieure à 4,00 %.

Tracé polaire isotrope des spécimens de remplissage avec différentes orientations de motif.

Les aspects environnementaux, sociétaux et économiques sont des facteurs généraux utilisés pour évaluer la durabilité d'un produit. La FA a été prouvée par de nombreuses études comme étant un processus de fabrication respectueux de l'environnement par rapport aux processus conventionnels5,33,33,35. La FA produit des effets directs concernant de meilleurs impacts environnementaux, tels que la pollution par les particules, la contamination et les déchets dangereux. Dans le même temps, il produit également des impacts environnementaux indirects en fournissant une réduction des émissions de CO2 grâce à une utilisation moindre de matières premières dans le processus. Ces impacts conduisent à une amélioration sociétale avec une meilleure qualité de vie et des avantages pour la santé des producteurs. L'aspect sociétal a également un impact sur la montée en puissance des clients intéressés par la conception et la production, appelés prosommateurs, car la FA leur permet d'atteindre des objectifs de durabilité et de développer de nouvelles opportunités commerciales5,36,36,38. Comme mentionné dans l'introduction, ces avantages peuvent être plus efficaces dans la technologie AM utilisant BMD, qui offre une fabrication de pièces métalliques plus accessible, sûre et efficace.

D'un point de vue économique, la participation accrue potentielle des prosommateurs alimente l'économie circulaire à partir de nouveaux modèles commerciaux émergents avec une fabrication et une logistique à jour, par exemple, la production à la demande et l'approvisionnement instantané. De plus, la FA avec BMD peut être proposée en termes de gain de temps et de production rentable résultant de la minimisation du métal utilisé dans le processus. Moins il y a de matière utilisée, moins il y a de temps de fabrication et plus les coûts sont bas. Ainsi, la sélection d'une densité de remplissage appropriée pour les pièces, correspondant à leur application, est essentielle car la densité du matériau est directement liée aux performances, comme indiqué précédemment. Le tableau 4 présente le temps et les coûts de fabrication d'échantillons AM avec différentes densités de remplissage à l'aide de BMD. Les dépenses ont été classées en coûts directs et indirects et sont prises en compte dans le modèle de coût ; le coût de la main-d'œuvre n'est pas pris en compte car il est négligeable dans le processus BMD. L'ensemble du temps du processus de fabrication, c'est-à-dire l'impression, le déliantage et le frittage, est inclus dans le temps de fonctionnement en termes d'heures.

Le coût des matériaux, comprenant uniquement les coûts du métal et de l'interface, fait partie du coût direct, qui prend également en compte les coûts de l'électricité et des consommables, par exemple, les fluides et les gaz de déliantage. La plupart des dépenses proviennent des coûts indirects, qui représentent environ 93 % à 94 % du coût total. Comme le montre le tableau 4, le temps et les coûts augmentent en fonction de la quantité de matériau utilisée, liée au pourcentage de densité de remplissage des éprouvettes. Par conséquent, ajuster le temps et le coût pour qu'ils soient optimaux pour l'efficacité de poids souhaitée est un moyen d'exécuter un processus durable. Cette étude définit la relation entre l'efficacité du poids et le(s) paramètre(s) durable(s) normalisé(s) comme un indice pour les produits durables. L'efficacité du poids peut être calculée à l'aide de l'équation. (2), qui est défini comme \({e}_{UTS}\) lorsque la résistance ultime est considérée. Pendant ce temps, le coût d'exploitation et le temps de fabrication sont traités comme des paramètres durables. Un paramètre durable normalisé peut être obtenu à partir d'un rapport entre un paramètre durable considéré de chaque spécimen de remplissage et celui des homologues pleins. Par exemple, le coût d'exploitation normalisé peut être obtenu à partir du rapport entre le coût des spécimens de remplissage et ce coût des contreparties pleines, défini comme \({\widehat{C}}_{i}={C}_ {i}^{\text{infill}}/{C}_{i}^{\text{solid}}\), où \(i\) désigne un coût considéré, c'est-à-dire un coût matériel uniquement, un coût direct , et le coût total. L'indice peut donc être obtenu par \({e}_{UTS}/{\widehat{C}}_{i}\), qui peut être ajusté pour divers aspects économiques en considérant différents modèles de coûts ciblés \(i\) . Notez que, puisque les coûts indirects sont proches des dépenses totales et que les deux donnent le même indice, seuls les résultats des coûts totaux sont présentés. Comme le montre la figure 4, les valeurs de l'indice, où \(i\) désigne le coût matériel uniquement, le coût direct et le coût total, sont présentées respectivement en bleu, vert et orange. L'évaluation du point de vue des performances, du poids et du coût est incluse dans le modèle d'indice en tant que valeurs normalisées. Une valeur d'indice plus élevée implique que les produits AM offrent de meilleures performances par rapport à la durabilité.

L'efficacité pondérale par rapport aux valeurs normalisées du coût d'exploitation.

Des valeurs d'indice similaires sont observées pour tous les spécimens de remplissage considérés, en se concentrant sur le coût du matériau uniquement. Il est sous-entendu que la densité de remplissage a moins d'effet lorsque l'on considère l'efficacité pondérale par rapport au coût normalisé des seuls matériaux utilisés, en particulier pour les spécimens avec des densités relatives de 50,68 % et 62,18 %. En revanche, en se concentrant sur les coûts directs et totaux, les spécimens avec une densité de remplissage plus élevée donnent un meilleur indice. Il est démontré que même si les spécimens avec une densité de remplissage plus élevée ont plus de dépenses, ils donnent de bons résultats en termes de performance et de durabilité.

En plus de modéliser un indice plus complet du point de vue de la durabilité, le temps utilisé dans le processus de fabrication peut être inclus dans le modèle d'indice. L'indice ajoutant le temps de fabrication peut être obtenu par \({e}_{UTS}/({\widehat{C}}_{i}\times {\widehat{T}}_{P})\), où \({\widehat{T}}_{P}\) désigne les valeurs normalisées de l'ensemble du temps de traitement. L'évaluation en termes de performance, de poids, de coût et de temps est incluse dans cet indice, comme le montre la Fig. 5.

L'efficacité pondérale par rapport aux valeurs normalisées du coût et du temps d'exploitation.

On peut voir à partir du modèle de la Fig. 5 que les valeurs d'indice augmentent lorsque le temps de fabrication est pris en compte en plus. Bien qu'en ajoutant des paramètres plus durables dans le modèle, la plupart des pièces AM avec une densité de remplissage plus élevée sont toujours meilleures que celles avec une densité de remplissage plus faible. Cependant, lorsque le coût du matériau uniquement est pris en compte, les pièces avec une densité de remplissage plus faible peuvent donner un indice plus élevé que celles avec une densité de remplissage plus élevée. Étant donné que la sensibilité de l'indice varie en fonction de paramètres durables, la prise en compte de paramètres plus durables (par exemple, la consommation d'énergie et les émissions de CO2 de la matière première utilisée) et de modèles de coût spécifiques (par exemple, le coût du matériau uniquement) peut rendre considérablement les pièces avec un coût inférieur. densité de remplissage ont plus d'impact du point de vue de la performance par rapport à la durabilité. Notez que la prise en compte de modèles de coûts spécifiques comme le coût du matériel uniquement est réalisable pour l'évaluation car la plupart des coûts totaux consistent en des coûts fixes engagés comme les coûts indirects, qui sont des obligations fixes de l'entreprise.

En fait, les pièces de remplissage ne peuvent pas correspondre aux pièces pleines en termes de capacité de rigidité dans le plan. Cette étude vise à proposer un indicateur pour évaluer les pièces AM avec une densité de remplissage non seulement concernant l'aspect performance mais aussi l'aspect durabilité. La relation entre les propriétés mécaniques et les coûts et le temps, qui est présentée en termes de rapport d'efficacité pondérale et de paramètres durables normalisés, peut être utilisée pour évaluer initialement le degré de durabilité d'un produit AM. La valeur plus élevée de l'indice démontre que le produit est préférable en termes de performance par rapport à la durabilité.

De plus, cette étude se concentre sur les performances et les points de vue de la durabilité des produits AM. Seuls le module de Young et la résistance ultime sont pris en compte pour l'aspect performance tandis que le coût et le temps de fabrication sont pris en compte pour l'aspect durabilité. Les suggestions pour les études futures sont que, du point de vue des performances, d'autres rigidités, telles que la flexion et la fatigue, devraient être étudiées plus avant pour couvrir davantage de performances. Dans l'aspect durabilité, des paramètres plus durables peuvent être pris en compte dans le modèle, tels que les aspects énergétiques et environnementaux. De plus, cette étude ne considère que les coûts de fabrication des produits AM. Une analyse liée au gain ou à la perte d'un investissement peut être prise en compte davantage pour couvrir l'aspect commercial.

Les éprouvettes en acier inoxydable 17-4 PH fabriquées par AM à l'aide de la technique BMD ont été testées par des essais de traction pour étudier les effets des paramètres d'impression sur les performances et la durabilité. Du point de vue des performances, les spécimens AM avec deux ensembles de paramètres d'impression, c'est-à-dire les spécimens avec différentes densités de remplissage et les spécimens avec différentes orientations de motif, ont été testés pour obtenir le module de Young et la résistance à la traction ultime. Comme prévu, les spécimens avec une densité de remplissage plus élevée donnent de meilleures propriétés mécaniques. Les orientations du motif dans le plan ont peu d'effet sur le module de Young des éprouvettes de remplissage avec le motif triangulaire, mais il existe des différences dans la résistance ultime. Les spécimens avec une orientation de motif de 0/60 degrés donnent la meilleure résistance ultime.

Du point de vue de la durabilité, le temps et le coût de fabrication des éprouvettes avec différentes densités de remplissage sont considérés comme des paramètres durables, tandis que la résistance ultime est choisie comme étant la performance considérée. La relation entre la résistance ultime d'une éprouvette de remplissage et sa masse volumique normalisée est définie comme l'efficacité pondérale de l'éprouvette. L'indice d'évaluation d'une pièce AM en termes de performance par rapport à la durabilité est caractérisé par l'efficacité du poids par rapport au(x) paramètre(s) de durabilité normalisé(s). Deux modèles d'évaluation sont proposés dans cette étude : (1) l'efficacité pondérale par rapport au coût d'exploitation normalisé et (2) l'efficacité pondérale par rapport au coût et au temps d'exploitation normalisés. Les coûts matériels uniquement, directs et totaux sont classés comme options de modèle de coût. Les résultats montrent que compte tenu du coût du matériau seul (un cas limite), les éprouvettes de remplissage avec une densité plus faible donnent un indice comparable à celles avec une densité plus élevée dans le premier modèle, tandis que, dans le second modèle, les éprouvettes de remplissage avec une une densité plus faible donne un meilleur indice que ceux avec une densité plus élevée. En plus de ces cas, les spécimens de remplissage avec une densité plus élevée ont le meilleur indice pour tous les cas. Notez que les performances des spécimens AM dans cette étude ont été étudiées uniquement pour le chargement dans le plan. D'autres implémentations, telles que la flexion et la fatigue, peuvent donner des résultats différents.

Comme le montrent les résultats de cette étude, on peut conclure que l'orientation du motif dans le plan (plan horizontal) n'affecte guère de manière significative le module de Young des pièces de remplissage avec le motif triangulaire. Le module d'Young des parties de remplissage n'est pas une fonction linéaire de la densité de remplissage. Les pièces avec une densité de remplissage plus élevée donnent une plus grande efficacité pondérale de la rigidité dans le plan que celles avec une densité de remplissage plus faible. Lorsque l'on considère la performance par rapport à la durabilité, la plupart des pièces avec une densité de remplissage plus élevée donnent un indice plus élevé que celles avec une densité de remplissage plus faible. Cependant, l'hypothèse de paramètres durables peut modifier considérablement l'indice. L'indice peut être utilisé pour évaluer les pièces AM en termes de rigidité par rapport à la durabilité.

Pour un matériau non homogène, si ses inhomogénéités sont uniformément réparties et considérablement plus petites que la taille totale du matériau, au moins stochastiquement, le matériau peut être considéré comme un matériau homogène avec des propriétés efficaces. Le matériau est considéré comme théoriquement étendu pour devenir un matériau infini dans la détermination de ses propriétés effectives. Il est soumis à des conditions aux limites uniformes qui produisent des contraintes et des déformations uniformes dans un matériau homogène à sa limite de champ lointain. Les relations résultantes entre les contraintes moyennes et les déformations moyennes peuvent ensuite être utilisées pour définir les propriétés effectives du matériau39,40.

Un matériau inhomogène dans lequel les inhomogénéités sont réparties périodiquement peut être considéré comme un matériau périodique, également appelé structure en treillis. Si une structure de réseau se compose d'un nombre substantiel de cellules unitaires périodiques, les propriétés effectives peuvent être déterminées41,42. Dans les structures en treillis fabriquées, de tels modèles de cellules unitaires sont utilisés pour aider à réduire les quantités de matières premières utilisées (par rapport aux matériaux solides) tout en conservant les propriétés souhaitées correspondant à leurs applications. Différents modèles périodiques ou modèles de cellules unitaires entraînent les divers comportements mécaniques des structures en treillis.

Une structure en treillis 2D est souvent utilisée pour un produit AM afin de réduire les matières premières et les coûts de fabrication en contrôlant les densités de leurs motifs de remplissage. Un motif périodique 2D est généralement utilisé pour le motif de remplissage d'une pièce AM, en particulier un motif triangulaire. Dans cette étude, les spécimens AM avec des motifs de remplissage triangulaires sont traités comme des structures en treillis 2D avec des cellules unitaires triangulaires. Le comportement du matériau des échantillons de remplissage triangulaires peut alors être obtenu en considérant les propriétés élastiques effectives d'une structure en treillis avec des cellules unitaires triangulaires. La figure 6 montre une structure en treillis avec des cellules unitaires triangulaires, où \(l\) désigne la longueur caractéristique des cellules unitaires et \(b\) et \(t\) désignent respectivement la largeur et l'épaisseur. Ces paramètres significatifs peuvent être utilisés pour calculer le module de Young effectif des structures en treillis avec des cellules unitaires triangulaires obtenues à partir de la littérature30, c'est-à-dire,

Une structure en treillis avec des cellules unitaires triangulaires et ses dimensions d'entretoise.

où \({E}_{x}^{*}={E}_{y}^{*}\) désigne le module de Young effectif des éprouvettes de remplissage et \(E\) désigne le module de Young de la base matériel. De plus, \(\overline{\rho }\) désigne la densité relative de la structure en treillis avec des cellules unitaires triangulaires qui est égale à \(2\sqrt{3}b/l\).

Une densité de remplissage est utilisée dans un spécimen AM pour réduire son poids. Lorsque la rigidité de l'échantillon fait partie des principaux objectifs de conception, le rapport de la rigidité de l'échantillon à sa densité de poids peut être pris en compte pour évaluer l'efficacité du poids. Pour évaluer l'efficacité d'une éprouvette de remplissage par rapport à son homologue pleine masse, le rapport entre la rigidité par masse volumique considérée de l'éprouvette et la rigidité par masse volumique d'une éprouvette pleine pleine de mêmes dimensions est défini comme l'efficacité pondérale de le spécimen, c'est-à-dire

où \({S}^{*}\) et \(S\) sont les rigidités considérées de l'éprouvette de remplissage et de la contrepartie entièrement solide, respectivement. De plus, \(\overline{\rho }\) est la masse volumique relative, qui est en fait le rapport entre la masse volumique de l'éprouvette de remplissage et la masse volumique d'une éprouvette pleine pleine ayant les mêmes dimensions, c'est-à-dire , \(\overline{\rho } = {{\rho^{*} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\rho^{*} } \rho }} \right. \kern-\nulldelimiterspace} \rhô }\).

L'effet des orientations de charge sur les structures en treillis 2D sur un plan \(xy\) est étudié pour valider les propriétés des structures en treillis dans différentes directions de rotation. Pour les matériaux orthotropes, la transformation des propriétés mécaniques du système de coordonnées \(xy\) au système de coordonnées \({x}^{^{\prime}}-{y}^{^{\prime}}\) est illustré à la Fig. 7.

Systèmes de coordonnées originaux et rotatifs.

La transformation du module de Young entre les deux repères, dans lesquels les matrices de rigidité et de compliance sont symétriques, peut s'écrire43

où \({E}_{x}\) et \({E}_{y}\) désignent le module de Young dans le système de coordonnées \(xy\), tandis que \({E}_{{x}^ {^{\prime}}}\) et \({E}_{{y}^{^{\prime}}}\) désignent le module de Young dans le \(x{^{\prime}}-y{ ^{\prime}}\) système de coordonnées. De plus, \({G}_{xy}\) désigne le module de cisaillement et \({\nu }_{xy}={\nu }_{yx}\) est le coefficient de Poisson. Ici, \(m=cos\theta\) et \(n=sin\theta\) sont définis pour la transformation de points géométriques.

Les propriétés mécaniques des pièces AM peuvent être obtenues expérimentalement par un essai de traction basé sur la norme ASTM E8/E8M. Puisqu'une pièce AM est traitée comme une structure en treillis construite par de nombreuses cellules unitaires à l'intérieur, son spécimen doit être conçu comme un matériau homogène avec des propriétés efficaces pour garantir qu'il donne une réponse mécanique exacte44,45. D'autres paramètres d'impression affectant ses propriétés mécaniques peuvent être étudiés pour s'assurer qu'un spécimen peut être considéré comme un matériau homogène. Dans cet article, deux paramètres d'impression importants ont été soulignés, à savoir la densité de remplissage et l'orientation du motif, pour étudier les effets des paramètres d'impression de la technologie AM sur le comportement des matériaux et les coûts de fabrication. Quatre densités relatives sont prises en compte pour les échantillons AM, dont 50,68 %, 62,18 %, 73,60 % et 100 % (équivalent) de l'échantillon entièrement solide, comme illustré à la Fig. 1. Trois orientations de motif des cellules unitaires triangulaires sont prises en compte. , y compris l'orientation du motif tourné \(0^\circ\), \(15^\circ\) et \(30^\circ\), comme illustré à la Fig. 2. Depuis la rotation de \(0^\ circ\), \(15^\circ\), et \(30^\circ\) donne une géométrie symétrique avec \(60^\circ\), \(45^\circ /75^\circ\), et \(90^\circ\), respectivement, les orientations du motif de remplissage considérées sont alors suffisantes pour l'investigation de cette étude.

Tous les spécimens, en acier inoxydable 17-4PH, ont été fabriqués à l'aide de la technologie BMD par une imprimante 3D Studio System Desktop Metal. Les spécimens avec densité de remplissage utilisant un motif triangulaire ont été créés sans épaisseurs de paroi supérieure et inférieure pour étudier l'effet de densité de remplissage. La géométrie et les dimensions des éprouvettes ont été prises en compte conformément à la norme ASTM E8/E8M, comme illustré à la Fig. 8a. Les densités de remplissage ont été modifiées en modifiant \(l\) tout en conservant la section rectangulaire de la jambe de force (voir Fig. 6). Les densités de remplissage sont également présentées sous forme de densités relatives, qui est un rapport entre le poids des spécimens de remplissage et celui du plein solide, comme indiqué dans le tableau 1. Pour les spécimens utilisés pour étudier l'effet d'orientation du motif, les spécimens de forme rectangulaire ont été conçus sur la base de la norme ASTM E8/E8M, comme illustré à la Fig. 8b, où \(\mathrm{W}\) peut être ajusté pour obtenir des cellules unitaires complètes le long du bord court. Dans l'enquête, les échantillons avec des densités relatives de 36,12 % ont été utilisés pour chaque orientation de motif. Notez que cinq échantillons ont été examinés pour un ensemble de spécimens dans chaque type de paramètre. Les résultats fiables d'au moins trois échantillons ont été recueillis pour calculer les valeurs moyennes du module de Young et de la résistance ultime.

La géométrie et la dimension d'un spécimen selon la norme ASTM E8/E8M.

Selon la norme ASTM E8/E8M, un essai de traction a été effectué à l'aide d'une machine d'essai universelle Instron 8802 pour obtenir le module de Young et la résistance à la traction ultime des éprouvettes d'acier inoxydable 17-4 PH. Les essais de traction ont été effectués en contrôle de déplacement avec une vitesse de 1,0 mm/min avant la limite d'élasticité et une vitesse de 5,0 mm/min après la limite d'élasticité. Un extensomètre a été utilisé pour mesurer la déformation dans la région élastique, puis retiré après la limite d'élasticité.

Un modèle de coût unitaire a été utilisé pour estimer les coûts totaux des produits AM au cours du processus de fabrication. Une équation générale du modèle de coût total \({C}_{T}\) peut être écrite comme

où \({C}_{\text{Direct}}\) désigne le coût estimé encouru pour les matières premières, l'interface, les consommables et l'électricité, tandis que \({\dot{C}}_{\text{Indirect}} \) et \({T}_{P}\) désignent le taux de coût du fonctionnement de la machine et le temps de traitement. De plus, \({\dot{C}}_{\text{Labor}}\) et \({T}_{L}\) indiquent le taux de travail et la durée du travail.

La somme des coûts des éléments, c'est-à-dire les coûts directs, indirects et de main-d'œuvre liés à l'activité d'impression, reflète le coût du processus primaire de BMD. L'estimation des coûts directs capture toutes les dépenses pour les matériaux introduits dans le système (matière première et interface), l'énergie consommée et les consommables (tôle de construction, fluide de déliantage, gaz, etc.). Le taux de coûts indirects représente les principaux coûts totaux d'amortissement et de maintenance de la machine, qui peuvent être obtenus en

Dans cette étude, on a estimé que la machine à imprimer fonctionnait pendant une période de dix ans, tandis que le coût de maintenance annuel était estimé à 15 % à 20 % du coût annuel de la machine, selon chaque type de machine. De plus, le temps de fonctionnement annuel a été fixé à 4 000 h. L'équation (6) a été utilisée pour calculer le taux de coût total de la machine dans le tableau 5. L'estimation du coût de la main-d'œuvre décrit les coûts salariaux pour un travailleur de production AM. Le tableau 5 montre les éléments du modèle de coût total tout au long du processus de fabrication. Notez que tous les coûts estimés sont modélisés en fonction du contexte du propriétaire de la machine.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été partiellement soutenu par l'Université de Chiang Mai. L'auteur correspondant remercie chaleureusement le soutien financier du Bureau du secrétaire permanent du ministère de l'Enseignement supérieur, de la Science, de la Recherche et de l'Innovation (OPS MHESI), Thailand Science Research and Innovation (TSRI) dans le cadre de la subvention no. RGNS 64-070. Le deuxième auteur a reçu la bourse de la Faculté d'Ingénierie de l'Université de Chiang Mai. Cette recherche fait partie du projet "A Strategic Roadmap Toward the Next Level of Intelligent, Sustainable, and Human-Centered SME: SME 5.0" du programme de recherche et d'innovation Horizon 2021 de l'Union européenne dans le cadre de l'accord de subvention Marie Skłodowska-Curie n° 101086487 .

Département de génie mécanique, Faculté de génie, Université de Chiang Mai, Chiang Mai, 50200, Thaïlande

Thongchai Fongsamootr, Itthidet Thawon, Nakorn Tippayawong et Pana Suttakul

Département de génie industriel, Faculté de génie, Université de Chiang Mai, Chiang Mai, 50200, Thaïlande

Korrakot Yaibuathet Tippayawong

Unité de recherche en gestion de la chaîne d'approvisionnement et de l'ingénierie, Université de Chiang Mai, Chiang Mai, 50200, Thaïlande

Korrakot Yaibuathet Tippayawong

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TF a initié la conception, soutenu et supervisé cette étude de recherche, IT et PS ont mené les expériences et analysé les résultats, NT et KYT ont levé des fonds et supervisé cette étude de recherche, PS a conçu la direction de la recherche, rédigé, écrit et édité le manuscrit. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Pana Suttakul.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Fongsamootr, T., Thawon, I., Tippayawong, N. et al. Effet des paramètres d'impression sur la fabrication additive de pièces métalliques : aspects performances et durabilité. Sci Rep 12, 19292 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22613-2

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Reçu : 29 juin 2022

Accepté : 17 octobre 2022

Publié: 11 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22613-2

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