Imaginez pouvoir créer rapidement un prototype de drone personnalisé en quelques heures, fabriquer une pièce de rechange introuvable pour votre lave-vaisselle sans avoir à attendre des semaines, ou même concevoir une prothèse sur mesure pour un patient, améliorant ainsi sa qualité de vie. L' impression 3D à fil , aussi connue sous les noms de Fused Deposition Modeling (FDM) ou Fused Filament Fabrication (FFF) , une technologie accessible et polyvalente, rend tout cela possible, et bien plus encore. Cette technologie est un pilier de la fabrication additive.
L' impression 3D à fil , ou FDM/FFF , est une technique de fabrication additive qui consiste à construire un objet tridimensionnel en déposant des couches successives de matière fondue. Cette matière, généralement un thermoplastique sous forme de filament (PLA, ABS, PETG, etc.), est chauffée et extrudée à travers une buse mobile (dont le diamètre varie entre 0.2mm et 1.0mm) qui suit les contours de chaque couche, selon les instructions d'un modèle numérique 3D créé avec un logiciel CAO. La qualité d'impression dépendra des paramètres de l'imprimante.
Principes de fonctionnement détaillés
Le processus d' impression 3D à fil peut sembler complexe au premier abord, mais il repose sur une série d'étapes bien définies. De la création du modèle 3D à la finition de l'objet imprimé, chaque étape joue un rôle crucial dans la qualité d'impression et la précision du résultat final. Comprendre ces étapes est essentiel pour exploiter pleinement le potentiel de cette technologie de fabrication additive et optimiser l'utilisation de votre imprimante 3D à fil .
Préparation du modèle 3D
La première étape consiste à créer un modèle 3D de l'objet que vous souhaitez imprimer. Cela peut être fait à l'aide d'un logiciel de modélisation assistée par ordinateur (CAO) , comme Tinkercad, Fusion 360, SolidWorks ou Blender. Ces logiciels permettent de concevoir des objets complexes avec une grande précision, en utilisant des outils de sculpture, de modélisation paramétrique ou de conception géométrique. Le modèle créé est ensuite exporté dans un format standard, généralement STL (Stereolithography) ou OBJ (Object) . Le format STL, avec sa triangulation de surface, est le plus répandu pour l' impression 3D , assurant une compatibilité maximale avec les logiciels de slicing .
Ces formats décrivent la géométrie de l'objet en utilisant une triangulation de sa surface. Plus la triangulation est fine (avec un nombre de triangles élevé), plus le modèle sera précis, capturant les détails et les courbes complexes, mais plus le fichier sera volumineux, impactant le temps de chargement et de traitement. Il est important de trouver un équilibre entre précision et taille du fichier pour optimiser le processus d' impression 3D à fil . Le format OBJ, quant à lui, peut également inclure des informations de couleur et de texture, offrant une dimension esthétique supplémentaire.
Le choix du logiciel de CAO dépendra de vos besoins, de votre niveau de compétence et de votre budget. Tinkercad est un excellent choix pour les débutants grâce à son interface intuitive et à sa prise en main facile. Fusion 360 et SolidWorks offrent des fonctionnalités plus avancées pour les utilisateurs expérimentés, permettant de créer des modèles complexes avec une grande précision. Blender, un logiciel open-source, est idéal pour la modélisation organique et la création d'effets spéciaux. Quel que soit le logiciel que vous choisissez, il est crucial de bien maîtriser les outils de modélisation pour créer des modèles 3D de haute qualité, adaptés à l' impression 3D .
Slicing (découpage)
Une fois le modèle 3D créé, il doit être "découpé" en couches horizontales par un logiciel appelé " slicer ". Le slicer prend le fichier STL ou OBJ en entrée et génère un fichier contenant les instructions de mouvement pour l' imprimante 3D à fil , généralement au format G-code . Des slicers populaires incluent Cura (open-source, gratuit), Simplify3D (payant, fonctionnalités avancées) et PrusaSlicer (open-source, axé sur les imprimantes Prusa). Le choix du slicer influence la qualité d'impression , la vitesse et la consommation de matériau.
Le slicer permet de définir de nombreux paramètres d'impression, tels que la hauteur de couche (généralement entre 0.05 et 0.4 mm, une hauteur de couche de 0.1mm permettra d'avoir une qualité de détails plus précis), le remplissage (densité de la matière à l'intérieur de l'objet, exprimée en pourcentage, un remplissage de 100% est une densité pleine), la vitesse d'impression (généralement entre 30 et 100 mm/s, une vitesse de 40mm/s est une bonne vitesse), la température d'extrusion (dépend du filament utilisé, généralement entre 190 et 250°C, une température de 200°C est souvent utilisée pour du PLA) et la température du plateau chauffant (généralement entre 50 et 70°C). Ces paramètres ont un impact significatif sur la qualité d'impression , sa résistance mécanique (traction, compression, flexion), et son temps d'exécution. Les paramètres les plus utilisés sont la hauteur de couche et la température d'extrusion.
Par exemple, une hauteur de couche plus petite permet d'obtenir une meilleure résolution et une surface plus lisse, réduisant le besoin de post-traitement, mais augmente considérablement le temps d'impression. Un remplissage plus élevé rend l'objet plus solide, améliorant sa résistance à la compression, mais consomme plus de matière et augmente le poids de l'objet. Il est donc important de bien comprendre l'impact de chaque paramètre et de les ajuster en fonction de vos besoins, de l'application visée et du type de filament utilisé. Le logiciel de slicing offre une interface graphique qui permet de visualiser le résultat de l'impression avant de lancer le processus, ce qui permet d'éviter les erreurs, d'optimiser les paramètres et d'estimer le temps d'impression et la consommation de filament . La version 5.0 de Cura est une valeur sûr en termes de Slicer.
La hauteur de couche , mesurée en millimètres, est un paramètre crucial. Une valeur de 0.2 mm est souvent un bon point de départ, offrant un bon compromis entre résolution et vitesse. Des valeurs plus faibles (jusqu'à 0.05 mm) permettent d'obtenir des détails plus fins, idéaux pour les figurines et les modèles complexes, tandis que des valeurs plus élevées (jusqu'à 0.3 mm) accélèrent l'impression, convenant aux prototypes et aux pièces fonctionnelles. Le remplissage, exprimé en pourcentage, détermine la densité interne de la pièce. Un remplissage de 15% est généralement suffisant pour des pièces décoratives et non soumises à des contraintes mécaniques importantes, tandis qu'un remplissage de 100% confère une solidité maximale, nécessaire pour les pièces mécaniques et les outils. La vitesse d'impression , mesurée en millimètres par seconde (mm/s), influence directement le temps d'impression. Des vitesses plus élevées (jusqu'à 80 mm/s) sont possibles pour des pièces simples et avec peu de détails, tandis que des vitesses plus faibles (jusqu'à 40 mm/s) sont recommandées pour des détails complexes, des parties en surplomb et des matériaux difficiles à imprimer. La température d'extrusion , en degrés Celsius (°C), dépend du type de filament utilisé et est cruciale pour une bonne adhérence entre les couches. Le PLA (acide polylactique) nécessite généralement une température entre 190 et 220°C, tandis que l' ABS (acrylonitrile butadiène styrène) requiert une température entre 220 et 250°C. L'utilisation d'une température incorrecte peut entraîner des problèmes d'adhérence, de déformation et de fragilité de la pièce.
Chargement et chauffage du filament
Une fois le fichier G-code généré, il est transféré à l' imprimante 3D à fil via une carte SD, une connexion USB ou une connexion réseau (WiFi ou Ethernet). Le filament , généralement enroulé sur une bobine de 1 kg (kilogramme), est ensuite chargé dans l' extrudeur . La plupart des imprimantes 3D à fil sont compatibles avec des filaments de 1.75mm de diamètre, bien que certaines utilisent des filaments de 2.85mm de diamètre. Le choix du diamètre du filament dépend de la conception de l' extrudeur et de la buse. Des bobines de filament de 500g sont également disponibles.
L' extrudeur est équipé d'un système de chauffage, appelé " hot end ", qui permet de faire fondre le filament . La température de chauffage est réglée en fonction du type de filament utilisé et est cruciale pour une bonne extrusion . Par exemple, le PLA (acide polylactique) nécessite une température d'environ 200°C, tandis que l' ABS (acrylonitrile butadiène styrène) nécessite une température d'environ 230°C. L' imprimante 3D prend alors généralement entre 1 et 3 minutes pour atteindre la température désirée, en fonction de la puissance du système de chauffage et de la température ambiante. Un préchauffage correct est essentiel pour éviter les problèmes d' extrusion et assurer une bonne qualité d'impression . En moyenne, une bobine de filament de 1 kg contient environ 330 mètres de fil.
Il est important de choisir le bon filament pour votre application, en tenant compte de ses propriétés, de sa facilité d'impression et de son coût. Le PLA est un matériau biodégradable, fabriqué à partir d'amidon de maïs, et facile à imprimer, idéal pour les débutants et les prototypes. Cependant, il est moins résistant à la chaleur que l' ABS . L' ABS est plus résistant à la chaleur (jusqu'à 85°C) et aux chocs, adapté aux pièces fonctionnelles et soumises à des contraintes mécaniques, mais il est plus difficile à imprimer et peut dégager des odeurs désagréables (il est conseillé d'utiliser une enceinte fermée et ventilée). D'autres types de filaments , tels que le PETG (polyéthylène téréphtalate glycolisé) , le TPU (polyuréthane thermoplastique) et le nylon , offrent des propriétés spécifiques qui peuvent être intéressantes pour certaines applications. Le PETG combine la facilité d'impression du PLA avec la résistance de l' ABS , le TPU est flexible et élastique, idéal pour les joints et les pièces souples, et le nylon est très résistant à l'abrasion et aux produits chimiques. Il existe également des filaments chargés de fibres de carbone, de bois ou de métal, offrant des propriétés esthétiques et mécaniques uniques. 95% des filaments utilisés sont soit en PLA, soit en ABS. Une bobine de filament peut coûter de 15€ à 50€ en fonction du matériau et de sa qualité.
Extrusion
L' extrudeur est le cœur de l' imprimante 3D à fil . Il est composé de deux parties principales : le " hot end " (partie chaude) et le " cold end " (partie froide). Le cold end est responsable de l'alimentation du filament vers le hot end . Il pousse le filament à l'aide d'une roue crantée, appelée "drive gear", qui s'agrippe au filament et le pousse vers la buse . La force d'adhérence de la roue crantée est réglable pour éviter d'écraser le filament et assurer une alimentation régulière. Il existe deux principaux types d' extrudeurs : les extrudeurs Bowden et les extrudeurs Direct Drive, chacun ayant ses avantages et ses inconvénients.
Le hot end est une chambre de fusion qui chauffe le filament jusqu'à sa température de fusion. Il est équipé d'une buse , dont le diamètre varie généralement entre 0.2 mm et 1.0 mm, bien que des buses plus petites (0.1 mm) et plus grandes (1.2 mm) existent pour des applications spécifiques. Le diamètre de la buse influence la résolution de l' impression 3D et la vitesse d'extrusion . Une buse plus petite permet d'obtenir une meilleure résolution, capturant les détails les plus fins, mais réduit la vitesse d'extrusion et augmente le temps d'impression. Une buse plus grande permet d'extruder plus rapidement, réduisant le temps d'impression, mais réduit la résolution et peut entraîner des imperfections sur la surface de l'objet. Le matériau de la buse (laiton, acier inoxydable, acier trempé) influence également sa résistance à l'usure et sa conductivité thermique. Un kit de buses peut coûter environ 10€.
Le filament fondu est ensuite extrudé à travers la buse et déposé sur le plateau d'impression . L' extrudeur se déplace selon les instructions du fichier G-code , en déposant des couches successives de matière pour construire l'objet tridimensionnel. La température du hot end est cruciale et une variation de seulement 5 degrés peut affecter considérablement la qualité de l'impression , entraînant des problèmes d'adhérence, de déformation et de fragilité. Un contrôle précis de la température est donc essentiel pour obtenir des résultats optimaux. La buse est une pièce consommable et doit être remplacée régulièrement, surtout en cas d'utilisation de filaments abrasifs, tels que les filaments chargés de fibres de carbone ou de métal.
Déplacement de la buse et du plateau
Le déplacement de la buse et du plateau d'impression est assuré par un système de moteurs pas à pas et de courroies crantées. Il existe différents types de systèmes de mouvement utilisés dans les imprimantes 3D à fil , chacun ayant ses avantages et ses inconvénients en termes de vitesse, de précision et de coût. Les systèmes les plus courants sont le système cartésien, le système delta et le système polaire.
- Système cartésien : C'est le système le plus courant, utilisé dans la majorité des imprimantes 3D à fil de bureau. La buse se déplace sur les axes X et Y (horizontalement), tandis que le plateau d'impression se déplace sur l'axe Z (verticalement). Ce système est simple à mettre en œuvre, facile à calibrer et offre une bonne précision, ce qui en fait un choix idéal pour les débutants et les utilisateurs expérimentés. Les imprimantes 3D cartésiennes sont généralement plus abordables que les imprimantes 3D delta.
- Système delta : La buse est suspendue à trois bras articulés qui se déplacent simultanément pour positionner la buse dans l'espace. Ce système est plus rapide que le système cartésien, permettant d'atteindre des vitesses d'impression plus élevées, mais il est plus complexe à calibrer et nécessite une électronique plus performante. Les imprimantes 3D delta sont souvent utilisées pour l'impression de grands objets cylindriques.
- Système polaire : La buse se déplace selon un système de coordonnées polaires (rayon et angle). Ce système est moins courant que les deux précédents et est principalement utilisé dans des applications spécifiques.
Le choix du système de mouvement dépend de la taille de l' imprimante 3D , de la vitesse d'impression souhaitée, de la précision requise et du budget disponible. Le système cartésien est souvent privilégié pour sa simplicité, sa précision et son coût abordable. Le système delta est choisi pour sa vitesse et sa capacité à imprimer de grands objets. Un système cartésien est plus accessible aux débutants, tandis qu'un système delta demande plus d'expérience.
Adhérence au plateau
L' adhérence au plateau est un facteur crucial pour la réussite de l' impression 3D . Si la première couche ne colle pas correctement au plateau d'impression , l'objet risque de se déformer, de se détacher pendant l'impression ou de présenter des défauts esthétiques. Il existe différentes techniques pour améliorer l' adhérence au plateau , allant de la simple application de laque à l'utilisation de surfaces d'adhérence spéciales. La température du plateau doit être stable.
- Chauffer le plateau : La plupart des imprimantes 3D à fil sont équipées d'un plateau chauffant . La chaleur permet de maintenir la première couche à une température constante, réduisant le risque de déformation et améliorant son adhérence . La température du plateau doit être ajustée en fonction du type de filament utilisé.
- Utiliser de la laque ou du ruban adhésif : Appliquer une fine couche de laque pour cheveux (sans parfum) ou de ruban adhésif (Kapton ou Blue Tape) sur le plateau d'impression peut améliorer significativement l' adhérence de la première couche, en créant une surface plus collante. Cette technique est simple, économique et efficace.
- Utiliser une surface d'adhérence spéciale : Il existe des surfaces d'adhérence spéciales, telles que le PEI (polyétherimide) , le BuildTak ou le verre borosilicate, qui offrent une excellente adhérence et facilitent le retrait des objets après l'impression. Ces surfaces sont durables, faciles à nettoyer et offrent une adhérence fiable pour une large gamme de filaments .
La température du plateau chauffant doit être ajustée en fonction du type de filament utilisé et de l'environnement ambiant. Pour le PLA , une température de 60°C est généralement suffisante. Pour l' ABS , une température de 110°C est recommandée. Il est important de surveiller l' adhérence de la première couche et d'ajuster la température en conséquence. Une température trop basse peut entraîner un décollement de la première couche, tandis qu'une température trop élevée peut entraîner une déformation de l'objet.
Refroidissement
Le refroidissement de la matière déposée est également un paramètre important pour la qualité de l'impression . Un ventilateur, souvent appelé "fan duct", est généralement utilisé pour refroidir la matière immédiatement après son extrusion . Cela permet de solidifier rapidement la matière, d'éviter les déformations et d'améliorer la précision des détails. Sans un refroidissement adéquat, les couches supérieures pourraient s'affaisser ou se déformer, compromettant la qualité de l'objet imprimé.
La vitesse du ventilateur, exprimée en pourcentage (%), peut être ajustée en fonction du type de filament utilisé et de la géométrie de l'objet. Pour le PLA , un refroidissement à 100% est généralement recommandé, permettant de solidifier rapidement la matière et d'obtenir des détails précis. Pour l' ABS , un refroidissement moins important (voire aucun refroidissement) est préférable, pour éviter les déformations et les fissures dues au retrait thermique. L'utilisation d'une vitesse de ventilation incorrecte peut nuire à la qualité de l'impression.
Le refroidissement est particulièrement important pour les petites pièces, les parties en surplomb et les ponts (parties horizontales non soutenues). Dans ces cas, un refroidissement rapide est essentiel pour éviter les déformations et assurer une bonne qualité d'impression . Certaines imprimantes 3D sont équipées de plusieurs ventilateurs, permettant un refroidissement plus efficace et ciblé des différentes parties de l'objet. Un refroidissement optimal permet d'obtenir des objets avec des surfaces lisses, des détails précis et une bonne résistance mécanique.