Imprimantes 3D à FILAMENT

1. Introduction

Les imprimantes 3D à filament sont des machines CNC 3 axes conçues pour concevoir des pièces par ajout de matière.

2. Filaments

Introduction

Les filaments pour imprimante 3D existent en deux tailles (1,75 et 3 mm). Vendues par bobines de 250g à 2 kg, elles sont le plus souvent à base plastique. Le choix d'une bobine dépend des propriétés recherchées sur la pièce à imprimer. Ces propriétés peuvent être :

• artistiques (couleur, effet, ...)
• flexibles (dureté shore, ...)
• mécaniques (résistances, modules, ...)
• fonctionnelles (à usage alimentaire, haute température, ...)
• durables (Réaction à l'eau, aux UV, ...)

Notons que certaines bobines sont particulières et permettent une impression spécialisée :

• supports solubles (eau, alcool, ...)
  
• matériau spécifique (plastique, métal, céramique, composite, ...)
• pour la conception de moules (perdus ou permanents)

Fiche technique

En règle générale, une bobine (marque, matière et couleur) s'accompagne toujours d'une fiche de caractéristiques. Cette fiche (souvent incomplète) décrit d'après les essais constructeur le comportement du filament soumis à différentes épreuves comme :

• Mécaniques
  • Densité,
  • Dureté (Shore, Rockwell)
  • Résistance (traction, flexion, impact, modules, choc Izod, ...)
• Thermiques (Température de ramollissement, de fusion, retrait, ...)
• Durabilité (Taux d'absorption, Humidité, UV, ...)
• Chimiques

Stockage et impression

Les bobines se démarquent également par les conseils des constructeurs en matière de stockage et d'impression :

• Stockage :
  • Date de péremption (oui, il y en a une pour certains filaments)
  • Sensibilité à la lumière, à l'humidité, à la température
• Impression :
  • Température de la tête, de la chambre et / ou du lit d'impression
  • Taille et matière de la tête d'impression
  • Vitesse d'impression maximale
  • Type d'extrudeur

Bobines plastiques

Les bobines plastiques sont de loin les plus faciles à trouver (PLA, ABS, PETG, Nylon, TPU flexible, PC, ASA, ...)

Bobines composites

Les bobines composites sont des bobines dédiées à l'impression dans des matières spécifique. Elles sont souvent constitués d'une poudre (liés à la matière souhaitée) associés à un liant (souvent plastique). Généralement abrasifs, leur usage nécessite au minimum une tête d'extrusion solide (acier inoxydable, rubis, ...), et dans certains cas, une imprimante 3D particulière.

Les pièces ainsi formées demandent parfois un (ou plusieurs) post-traitement(s) obligatoire(s) avant d'obtenir la pièce tant convoitée. Cela peut-être pour retirer le liant (bains chimiques, ultrasons, ...), ou pour solidifier la pièce (four 1400°C, ...). Référez-vous à la documentation constructeur.

Note : Attention à ne pas confondre les bobines composites réelles (exemple : céramique) avec les bobines à visée uniquement artistique (effet céramique). 

Additifs

Les filaments sont enfin constitués d'additifs pour :

• changer la couleur et la texture,
• améliorer l'impression,
• modifier les caractéristiques de la pièce formée (voulu ou non).

Aussi, deux filaments étiquetés "PLA" seront nécessairement de formule différente s'ils sont de marque, ou de couleur différentes. Ce constat se vérifie parfois même chez des bobines identiques vendues à des périodes différentes.

Il est donc une fois de plus essentiel à chaque nouvelle bobine de faire des essais avant de lancer une impression.

3. Machines

Les imprimantes 3D à filament (ou FDM - Fused Deposition Modeling) sont le plus souvent des machines CNC mobiles sur 3 axes (translation sur x, y et z) dont l'outil est une tête chauffante. En général, leur précision est comprise de 0.1 mm à 0.01 mm sur les 3 axes et elles peuvent imprimer des pièces allant jusqu'à 300°C. 

Beaucoup d'imprimantes 3D sont dites Reprap. Elles se composent de pièces standardisées, voire imprimées en 3D. Si tel est le cas pour la vôtre, ces pièces peuvent donc être changées si besoin par du matériel propriétaire ou génériques. Il vous faudra cependant parfois revoir les paramètres logiciels de votre imprimante si-besoin (pour peu que vous ayez accès au microgiciel de votre machine). Voyons ensemble quels sont les principaux organes de ces machines :

Le lit d'impression

Le lit d'impression est le plateau sur lequel est imprimé la pièce. La qualité d'un plateau dépend de :

• Sa planéité. De par mon expérience, moins de 0.05 mm de dénivelé est essentiel pour garantir le dépôt correct de la première couche.
• Son état de surface. Il peut être adapté en fonction du matériau du filament utilisé, de façon à favoriser l'accroche tout en permettant de retirer (sans trop de difficultés) la pièce formée une fois imprimée.

Les lits les plus modernes sont chauffants, amovibles magnétiquement et flexibles. Dans le cas où le plateau n'est pas suffisamment adhérent, il est possible d'utiliser selon le matériau imprimé :

• des colles (spéciales ou bâton)
• des scotchs (spéciaux ou basiques)
• des solvants mélangés au matériau souhaité.

La tête d'impression.

Une tête d'impression usuelle se compose des éléments suivants :

• Un bloc de chauffe en métal comprenant à la fois une résistance de chauffe (capable de monter jusqu'à 300 - 400°C) et une thermistance (pour mesurer la température au degré près).
• Une buse vissée en dessous bloc de chauffe. Elle permet l'extrusion du filament de 0.1 à 1 mm de diamètre selon les tailles. Souvent en laiton (un métal doux sensible à l'abrasion), des modèles plus durables (inox, titane, rubis, ...) existent pour l'impression des matériaux les plus exigeants.
• Un dissipateur de chaleur. vissée au-dessus du bloc de chauffe, elle évite à la chaleur de remonter le long du filament. En effet, si le filament chauffe, ou rentre en fusion avant de rentrer dans le bloc de chauffe, il peut obstruer le passage (par reflux, ou via dilatation).
• Des ventilateurs, certains dirigés vers la pointe de la buse pour une meilleure qualité d'impression. D'autres vers le dissipateur pour mieux le refroidir.
• Un adaptateur entre la tête d'impression et les éléments de l'extrudeur.
• Un anneau de LEDs pour éclairer la zone de travail (cosmétique).

Le choix ou la modification de votre tête d'impression dépend donc de la précision souhaitée, de la qualité d'impression et du matériau extrudé.

Notons que certains imprimantes comportent plusieurs têtes d'impression. D'autres contiennent une seule tête acceptant plusieurs filaments à la fois. D'autres enfin possèdent des têtes motorisées. Cependant, ces options ne garantissent pas toujours une meilleure impression.

L'extrudeur

Le bloc extrudeur est un ensemble d'engrenages associés à un moteur pas à pas. Son rôle est d'agripper correctement le filament afin de le guider dans la tête d'impression, ce afin de gérer le flux d'extrusion. Nous distinguons en général deux types d'extrusion :

• déporté (ou bowden). L'extrudeur est relié à la tête d'impression par un tuyau souple, si possible transparent, de quelques dizaines de cm de long maintenu via des clips. Son avantage est de réduire le poids de la tête d'impression et donc d'augmenter la vitesse d'impression. Cependant, le filament aura tendance à s'écraser dans le tuyau, d'où :
  • Un certain délai de réponse entre l'extrudeur et la tête d'impression
  • Une extrusion non constante selon le filament utilisé
  • La difficulté d'imprimer à partir de filaments trop flexibles ou rigides.
• directe (ou direct drive). L'extrudeur est fixé à la tête d'impression. Le filament envoyé par l'extrudeur est donc immédiatement extrudé. On a alors un meilleur contrôle du flux, mais les impressions devront être plus lentes. Heureusement, la technologie avance pour nous proposer des extrudeurs plus petits et tout aussi efficaces.

D'autres limitations moins visibles existent également. Certains extrudeurs ne sont tout simplement pas conçus pour l'usage de filaments trop rigides ou souples. Si tel est votre cas, le changement de votre extrudeur peut être une solution.

La motorisation 3 axes.

Pour imprimer une pièce 3D, il est nécessaire de produire un déplacement en translation sur 3 axes entre la tête d'impression et le plateau. Pour ce faire, on utilise :

• Des rails linéaires (doubles, à billes, ...)
• Des systèmes de poulies / courroies crantées
• Des moteurs pas à pas (12, 24 ou 48V)

Un tel arsenal de pièces mobiles impliquent inévitablement des vibrations, impactant ainsi le résultat de l'impression. Pour éviter cela, les fabricants peuvent compenser ces vibrations :

• passivement en :
  • Allégeant la tête d'impression
  • Utilisant des absorbeurs de chocs
  • Utilisant des pièces autolubrifiantes et hermétiques aux poussières
  • Conseillant une vitesse d'impression réduite (20 mm/s par exemple)
• activement via une IA ou via des filtres numériques 

Enfin, une bonne disposition des moteurs permettent de limiter ces phénomènes. Parmi les dispositions les plus connues, on retrouve :

• La disposition classique. Chaque moteur gère individuellement la translation sur l'un des 3 axes (x, y et z) du plateau ou de la tête d'impression. L'espace de travail est alors un pavé.
  
• La disposition delta. Chaque moteur est fixe et contrôle la position de la tête d'impression via la hauteur d'un des 3 rails disposés autour de l'espace de travail. Cette disposition, certes peu robuste et peu compacte, autorise les fortes vitesses, mais demande plus de calculs (pour l'imprimante). L'espace de travail est alors un cylindre.
• La disposition H-Bot Chaque moteur est fixe. L'un contrôle la position verticale du plateau tandis que les deux autres contrôlent le plan horizontal de la tête d'impression. Cette disposition robuste autorise les fortes vitesses, mais demande plus de pièces mécaniques. L'espace de travail est là aussi un pavé.
• La disposition Core XY. Alternative à la H-Bot, elle se veut plus stable que cette dernière et autorise donc des vitesses encore plus élevées.

Chaque disposition a ses qualités et ses défauts. Si vous cherchez la rapidité, optez pour une Core XY ou une Delta.

Le caisson

Une bonne impression requiert le contrôle de la température et de l'humidité à la fois :

• De la base de la pièce imprimée (plateau)
• De la couche imprimée (tête d'impression)
• Du corps de la pièce imprimée (caisson)

Le contrôle de la température et de l'humidité globale autour de la pièce se fait par un caisson, cependant, toutes les imprimantes n'en possèdent pas. Lorsqu'il est présent, ce caisson peut être :

• Passif (aucun flux d'air n'est possible entre la pièce et l'extérieur
• Actif (l'enceinte est chauffée avant impression)
• Filtré (les polluants produits par l'impression sont filtrés)

Ce caisson est notamment important pour les filaments sensibles aux variations de températures (warping) et / ou à l'humidité (bulles lors de l'extrusion). SI votre imprimante n'en possède pas, vous pouvez lui en fabriquer un.

La carte mère et ses périphériques

L'électronique d'une imprimante 3D se compose de :

• Carte mère et cartes moteurs
• Bloc d'alimentation
• Capteurs
  • Thermistances
  • Capteurs de fin de course
• Actionneurs
  • Résistances thermiques
  • Moteurs pas à pas
  • Ventilateurs
• Moyens de communication (USB, WiFi, Carte SD, écran)

Une erreur au niveau de votre imprimante peut signifier un défaut sur l'une de ces pièces électroniques. En effet, il n'est pas rare que l'une de ces pièces soit obstruée, endommagée, ou dans une mauvaise position.

Repérez la position de ces éléments avant même l'achat de votre machine et veillez à ce que rien n'altère leur fonctionnement. Si votre imprimante est "reprap", vous pourrez vous même changer ces pièces.

4. Post traitement

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