Présentation

La fabrication additive avec des filaments de polymères a transformé la façon dont les ingénieurs, les éducateurs et les amateurs approchent le prototypage et la production à faible volume. La capacité de produire des géométries complexes directement à partir de modèles numériques est une capacité puissante, mais la fiabilité mécanique des pièces imprimées est souvent en deçà des attentes.Un problème persistant est le craquage – fractures qui apparaissent pendant l'impression, immédiatement après le refroidissement, ou après que la pièce a été en service. Ces fissures compromettent la résistance, l'esthétique et la fonctionnalité.

L'impression 3D en polymère, principalement la modélisation des dépôts fondus (FDM), consiste à extruder une couche thermoplastique fondue par couche. Chaque couche doit s'amalgamer avec la précédente pour former une structure monolithique. Lorsque les conditions sont moins optimales, les contraintes internes s'accumulent et finissent par dépasser la résistance à la traction ou à la cohésion du matériau, ce qui entraîne des fissures.

Causes courantes de crackage dans les polymères imprimés 3D

La craquage se divise en deux grandes catégories : la craquage intercouche (delamination) et la craquage intracouche (craquages à l'intérieur d'une couche). La craquage intercouche est plus fréquent et se produit lorsque les couches successives ne se collent pas adéquatement. La craquage intracouche résulte souvent de rétrécissement thermique ou de contrainte mécanique.

Causes liées au matériel

Qualité et composition des filtres[ – Les filaments à faible coût contiennent souvent des impuretés, un diamètre incohérent ou des matériaux recyclés avec des chaînes de polymères dégradées.Ces défauts créent des points faibles qui agissent comme sites d'initiation de fissure. Toujours source de filaments de fabricants réputés et vérifient les tolérances de diamètre (habituellement ±0,05 mm).

Absorption d'humidité – De nombreux polymères, en particulier le nylon, le PETG et le TPU, sont hygroscopiques. L'humidité à l'intérieur du filament se transforme en vapeur lorsqu'il est chauffé, créant des bulles et des vides qui affaiblissent la pièce. Même le PLA peut absorber l'humidité dans des environnements humides.

Rachage thermique – Les polymères semi-cristallins comme le nylon et le polypropylène se rétrécissent significativement en se refroidissant de la température de l'extrusion à la température ambiante. Ce rétrécissement génère des contraintes internes qui peuvent causer des déformations et des fissures, surtout sur de grandes surfaces plates.

Additifs et Fillers – Les filaments infusés de fibres de carbone, de fibres de verre ou de particules métalliques augmentent la rigidité mais réduisent la ductilité. Le polymère de la matrice devient plus fragile et les fibres peuvent agir comme concentrateurs de contraintes.

Causes liées aux paramètres d'impression

Température d'extrusion trop basse – Si la température de l'extrudeur est inférieure à la plage recommandée, le polymère ne s'écoule pas correctement, ce qui entraîne une mauvaise adhérence de la couche. Le matériau se solidifie avant de se lier à la couche précédente, créant une interface faible qui se fissure sous une contrainte minimale.

Température de la couche et adhérence sur la première couche – Une température de lit inadéquate empêche la première couche de coller correctement. Si la partie soulève la plaque de construction (pare-feu), la contrainte qui en résulte peut provoquer des fissures qui se propagent vers le haut à travers les couches suivantes. Utiliser un lit chauffé et des aides à l'adhérence appropriées (colle, ruban de peinture, feuille de l'Î.-P.-É. ou garolite pour les matériaux à haute température).

Vitesse du ventilateur de refroidissement[ – Pour la plupart des matériaux, un refroidissement contrôlé est nécessaire. Cependant, si le ventilateur de refroidissement fonctionne à pleine vitesse sur des matériaux qui se rétrécissent de façon significative (p. ex., ABS, Nylon), la chute rapide de température crée des gradients thermiques abrupts. Les couches extérieures se solidifient et se contractent alors que les couches intérieures sont encore chaudes, induisant des contraintes de traction qui fissurent la surface. ]Régler la vitesse du ventilateur selon les recommandations du fabricant de filaments – certains matériaux n'exigent pas de ventilateur pour les premières couches.

Imprimer Vitesse[ – L'impression trop rapide réduit le temps de fusion des couches. Le matériau extrudé peut ne pas avoir assez de chaleur pour provoquer un flux de fusion approprié dans la couche précédente, ce qui entraîne une soudure froide avec une faible résistance.

Hauteur de la couche[ – En utilisant une couche de hauteur trop grande par rapport au diamètre de la buse (p. ex., plus de 75 % du diamètre de la buse) force le filament à une forme épaisse et ronde qui ne peut pas se lier efficacement. Restez dans la plage de hauteur de la couche recommandée (généralement 25 à 75 % du diamètre de la buse).

La densité et le motif de remplissage[ – La faible densité de remplissage (p. ex., 5-10 %) fournit peu de soutien interne, permettant à la coque de fléchir et de craquer sous contrainte. De plus, des changements brusques du motif de remplissage (comme le passage des lignes à la grille) peuvent créer des points de contrainte.

Facteurs environnementaux et de conception

Température et courants d'air ambiants – Une pièce froide ou des courants d'air peuvent causer un refroidissement inégal, surtout sur les grandes parties. Les couches inférieures refroidissent et rétrécissent tandis que les couches supérieures restent plus chaudes, ce qui entraîne le curling et la délamination.

Partie Géométrie[ – Les angles fins, les parois minces et les hautes caractéristiques sont sujets à des fissures. Les angles droits de la contrainte de concentration; un chanfrein ou un filet répartit la charge. Les parois minces (moins de 2 à 3 périmètres) manquent d'intégrité structurelle.

Structures de support – Une conception de support médiocre peut provoquer des surplombs à sag, créant des vides internes et des contre-rlongeurs de contrainte. Lorsque les supports sont enlevés, la région non supportée peut se fissurer.

Analyse en profondeur des polymères spécifiques

Différents polymères ont des comportements uniques qui influencent la fissuration. Comprendre ces nuances aide à sélectionner le bon matériau et les bons réglages pour une application donnée.

PLA (acide polylactique)

Cependant, il peut encore se fissurer dans certaines conditions. La briguité est la faiblesse principale de PLA. Des sections minces ou des coins tranchants peuvent se casser pendant l'enlèvement ou la post-traitement des impressions. Le crackage est souvent causé par une surextrusion ou une buse fermée[ qui crée un flux incohérent. Gardez PLA sec, même une légère humidité provoque des bulles qui affaiblissent l'impression. L'impression à une température légèrement plus élevée (210–220°C) peut améliorer la fusion des couches sans introduire de cordon.

ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène)

L'ABS est connu pour sa déformation et sa fissuration. Son coefficient élevé d'expansion thermique signifie que la pièce se refroidit, qu'elle se rétrécit de façon spectaculaire. Sans l'enceinte, les bords se recroquevissent et la liaison de la couche peut échouer, produisant des bruits de fissuration audibles pendant l'impression. Utilisez un lit chauffé à 100°C et une enceinte pour maintenir une température ambiante stable autour de 45 à 60°C. Un bord ou un radeau est essentiel pour de grandes pièces.

Nylon

L'absorption d'eau provoque des vides de vapeur et de fragilité. Filament de nylon sec à 70-80°C pendant 6 à 12 heures avant impression. Utilisez une buse en acier durci parce que le nylon est abrasif. Température du lit : 70-90°C avec une enceinte. Le nylon rétrécit moins que l'ABS mais nécessite un refroidissement lent. Le crackage se produit souvent au surplomb en raison d'un support inadéquat.

PETG (polyéthylène-téréphtalate de glycol)

PETG combine la facilité d'impression avec une meilleure résistance aux chocs que PLA. Cependant, il peut s'attacher fortement aux feuilles de l'Î.-P.-É., ce qui peut provoquer des fissures lors de l'enlèvement de la pièce. Coulez le lit à 80°C avant de retirer l'impression pour éviter les chocs thermiques.

Stratégies visant à prévenir le crackage

La prévention nécessite une approche systématique – commencer par le matériel, puis optimiser les paramètres d'impression, la conception et l'environnement.

Sélection et manipulation du matériel

  • Choisissez un filament avec une bonne résistance à l'impact pour les pièces fonctionnelles (par exemple, PETG ou Nylon au lieu de PLA).
  • Toujours sécher les filaments hygroscopiques avant utilisation. Utilisez un sécheur à filaments ou un déshydratant alimentaire à la température appropriée.
  • Entreposer le filament dans des récipients hermétiques avec dessicant gel de silice. Surveiller l'humidité avec des cartes hydrométriques.
  • Pour les filaments composites (fibre de carbone, etc.), augmenter la température d'extrusion de 5 à 10 °C pour assurer un débit de la matrice correctement.

Optimisation du réglage de l'impression

  • Réglez la température de la buse au milieu de la gamme du fabricant pour votre matériau spécifique.
  • Régler la température du lit assez haut pour assurer l'adhérence de la première couche sans causer le pied de l'éléphant.
  • Vitesse d'impression de commande: 40-60 mm/s pour PLA, 30-50 mm/s pour ABS, 30-40 mm/s pour Nylon et PETG.
  • Utiliser refroidissement progressif[: commencer par le ventilateur éteint pour les 2 à 5 premières couches, puis ramper jusqu'à 50 à 70 % pour PLA, 30 à 50 % pour PETG et 0 à 30 % pour ABS/Nylon.
  • Augmenter le refroidissement des pièces en ajoutant un deuxième ventilateur ou un conduit plus efficace si les surplombs sont faibles, mais ne jamais refroidir rapidement sur les matériaux susceptibles de rétrécir.
  • Régler le remplissage à au moins 20 % pour les pièces structurales et utiliser un modèle avec des changements progressifs (gyroïde, nid d'abeille).

Principes de conception des modèles

  • Ajouter des filets ou des chanfreins à tous les coins internes et externes. Un rayon de 2 à 3 mm suffit souvent pour réduire la concentration de contrainte.
  • Maintenir une épaisseur minimale de 3 périmètres (environ 1,2 mm avec une buse de 0,4 mm). Pour les pièces plus grandes, utiliser les périmètres 4-5.
  • Évitez les changements soudains de section transversale. Transition progressive des zones épaisses à minces.
  • Inclure des côtes ou des gussets pour renforcer de longues travées non soutenues.
  • Si la pièce est trop grande pour être montée sur la plaque de construction sans déformage, la diviser en sections plus petites et les joindre plus tard (p. ex., en utilisant des queues de colombe ou de la colle).

Contrôles environnementaux

  • Utilisez un boîtier pour tous les matériaux qui se rétrécissent de façon significative (ABS, Nylon, Polycarbonate).
  • Gardez l'imprimante loin des fenêtres, des évents et des portes. Évitez les changements de température brusques.
  • Pour le PLA dans une pièce froide, un petit boîtier ou un chauffage à 25°C peut réduire la fissuration.
  • Déshumidifier la pièce si l'humidité relative dépasse 60 %.

Pratiques exemplaires après le traitement

  • Laisser refroidir lentement les pièces imprimées sur la plaque de construction. Ne pas les retirer immédiatement; attendre que la température du lit tombe à 30–40°C.
  • Lorsque vous retirez les supports, utilisez des coupes à chasse d'eau et un tordage doux plutôt que de tirer.
  • Pour le forage ou le taraudage, utilisez des outils pointus et des vitesses basses pour éviter la surchauffe du plastique.
  • L'annealing peut soulager les contraintes internes mais peut provoquer des changements dimensionnels. Effectuez des recherches sur le planning de recuit spécifique de votre polymère (p. ex. PLA à 60°C pendant 30 minutes, puis ralentissez le refroidissement).

Dépannage avancé pour le crackage persistant

Si les fissures apparaissent encore après avoir optimisé tous les facteurs ci-dessus, considérez ces techniques avancées.

Utilisation de filaments alternatifs

Certains polymères sont intrinsèquement moins enclins à craquer. Le polypropylène (PP) est très flexible et presque jamais fendue, mais il est difficile d'imprimer en raison de l'adhérence insuffisante du lit. TPU est caoutchouteux et absorbe bien les impacts, bien qu'il nécessite un extrudeur à entraînement direct. Le polycarbonate (PC) possède une résistance élevée mais a besoin d'un chaud et d'un boîtier à haute température.

Annealing pour le stress

L'annelage consiste à chauffer une pièce finie à une température juste en dessous de sa température de transition du verre et à la refroidir lentement. Cela réduit les contraintes résiduelles et peut augmenter la cristallinité, améliorant la résistance et la fissuration. Par exemple, le PLA recuit à 60-65°C pendant 30 minutes peut augmenter sa résistance à l'impact de 30%. Cependant, être préparé pour un rétrécissement de 0,5–2%. Nylon et PETG réagissent également bien au recuit. Toujours tester sur une pièce de rechange d'abord parce que la géométrie peut déformer.

Promoteurs d'adhésion

Pour les fissures intercouches, on peut améliorer la liaison en appliquant des agents chimiques pendant l'impression. Le lisier d'ABS (ABS dissous dans l'acétone) peut être peint sur les premières couches pour les fusionner. -Les agents d'adhérence de la couche, comme le lac 3D ou Magigoo, peuvent aider des matériaux spécifiques.

Conclusion

Le crackage dans les pièces en polymère imprimées 3D est rarement dû à une seule cause. Plus souvent, il s'agit d'une combinaison d'humidité des matériaux, de températures d'impression sous-optimales, de refroidissement rapide et de géométrie des pièces. En adoptant une vision holistique – du stockage des filaments et de l'étalonnage des imprimantes à la conception et au post-traitement des modèles – vous pouvez éliminer systématiquement les fissures et produire des pièces aux propriétés mécaniques fiables.

L'effort investi dans la compréhension de ces facteurs rapporte en moins d'impressions ratées, moins de déchets et de meilleurs résultats fonctionnels. Que vous étiez dans l'impression de modèles éducatifs, de prototypes d'ingénierie ou de pièces de production, il est essentiel de bien comprendre le comportement des polymères et la dynamique de l'imprimante.

Pour plus de détails, consultez les guides détaillés du matériel Simplify3D ou les articles de dépannage complets à All3DP. Si vous travaillez avec des matériaux avancés, la base de connaissances Prusa Research offre des profils testés pour leurs filaments.