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Les imprimantes 3D FDM

La technologie FDM (Fused Deposition Modeling), appelée également FFF (Fused Filament Fabrication), impression 3D par dépôt de matière fondue, est une des plus anciennes méthodologies employées en fabrication additive avec la Stéréolithographie (résine liquide).

Le principe consiste à introduire dans une buse chauffée un filament en matière plastique et à l’extruder en couches fines qui se superposerons pour former la pièce.

Les filaments se présentent en bobines, souvent de 1kg ou plus pour des usages industriels (jusqu’à 5 kg) et ont un diamètre de 1,75 mm ou 2,85 mm en fonction des machines utilisées.

Malgré son apparente simplicité, cette technologie est utilisé dans de nombreuses imprimantes 3D Professionnelles.

Le principe de fonctionnement.

L’impression 3D FDM fonctionne grâce à une tête d’impression qui se déplace sur 3 axes, d’un plateau sur lequel est imprimée la pièce et d’un extrudeur.

La tête d’impression

Elle est composée d’un corps de chauffe en métal avec une résistance électrique pour chauffer le filament ,une sonde pour contrôler la température, une buse d’un diamètre précis (souvent 0,4 mm), et de ventilateurs de refroidissement.

Le plateau

Il est constitué d’une plaque métallique (généralement chauffante) et d’un revêtement permettant l’adhérence des premières couches d’impression. Ce revêtement doit être parfaitement plat, il peut être en verre, dans un matériau spécial de type buildtak, en PEI, etc…

La dimension du plateau et la hauteur de l’axe Z (haut bas) définirons le volume maximum d’impression de l’imprimante.

L’extrudeur

Il est composé d’un système d’engrenages motorisées qui permet de pousser le filament dans la tête d’impression.

Le principe

Le principe consiste donc à pousser du filament dans la tête d’impression à l’aide de l’extrudeur, de faire fondre ce filament à une température précise et de le déposer en suivant un chemin défini à l’aide des axes X (gauche droite) et Y (avant arrière), puis de baisser l’axe Z (haut bas) de l’épaisseur d’une couche, de déposer une nouvelle couche sur la première, et ainsi de suite.

La distance entre la buse et le plateau, puis entre la buse et les couches inférieures, définira la précision de la pièce obtenue, généralement les couches d’impression sont de 1,5 à 2 dixièmes de mm, une plus haute résolution est possible avec des imprimantes 3D professionnelles (jusqu’à 0,05 mm). Plus la résolution sera élevée, plus les couches seront nombreuses, et donc plus le temps d’impression sera long. 

Les prérequis

 

Le fichier

Pour pouvoir imprimer une pièce avec une imprimante 3D FDM, il est nécessaire au préalable de disposer d’un fichier de modélisation de la pièce en trois dimensions.

Ce fichier, généralement sous format STL, peut être obtenu à l’aide d’un logiciel de CAO (conception assistée par Ordinateur), il représente la pièce avec ses dimensions réelles en 3D. Il existe de nombreux logiciels de modélisation, comme Fusion 360, SolidWorks, etc… ces logiciels nécessitent une certaine maîtrise de l’opérateur, surtout pour la création de pièces complexes.

Le logiciel de découpage

Généralement fournis avec l’imprimante 3D, le logiciel de découpage, souvent appelé Slicer, est indispensable au bon fonctionnement de l’imprimante.

Après avoir importé le fichier 3D de la pièce à réaliser dans le logiciel Slicer, celui-ci la découpera virtuellement en « tranches » dont l’épaisseur sera définie en fonction du niveau de résolution choisie et génèreras un fichier, le plus souvent en format Gcode, avec l’ensemble des coordonnés de déplacement de la tête d’impression pour réaliser les couches successives.

D’autres paramètres seront définis dans le logiciel Slicer, comme les éventuels supports d’impressions qui permettrons d’imprimer des couches qui ne seraient pas en contact avec les couches inférieurs, en fonction de la forme de la pièce. Par exemple, pour l’impression d’une maquette d’avion, les ailes n’étant pas en contact avec le sol (donc le plateau), il est nécessaire d’imprimer des supports entre le plateau et les premières couches d’impression des ailes, la tête d’impression ne pouvant pas extruder dans le vide.

La majeure partie des paramétrages d’impression seront définis dans le logiciel Slicer, outre les coordonnés de déplacement de la tête, la vitesse de déplacement des axes, la température de chauffe du plateau et de la buse, la vitesse et la distance de rétractation du filament (le filament doit « reculer » pour ne pas extruder lorsque la tête se déplace sans imprimer d’un point à un autre avant de reprendre l’impression) sont définis automatiquement par le logiciel en fonction du type de filament sélectionné.

Enfin, certains réglages seront définis par l’utilisateur, comme le taux de remplissage, les pièces imprimés étant creuses avec entre les parois une structure généralement de type nid d’abeille dont la densité peut être modifié en % en fonction des caractéristiques attendues.

Les avantages d’une imprimante 3D FDM

Technologie la plus diffusée, l’impression 3D par dépôt de filament fondue a pour principal avantage sa simplicité de mise en œuvre et son coût réduit.

  • Peu de post traitement (pas de résidus de résine à nettoyer).
  • Faible encombrement.
  • Coût d’acquisition des machines inférieur aux autres technologies.
  • Coût des consommables faible, à partir de 20 € le kg pour les matériaux de base comme le PLA ou l’ABS, autour de 50 € pour des matériaux plus techniques, (on trouve également des filaments très techniques comme le PEEK à plus de 500 € le kg).
  • Entretien et maintenance simple.
  • Possibilité d’obtenir des pièces de grandes dimensions (en fonction du modèle d’imprimante).
  • Impression en deux couleurs ou deux matières avec une imprimantes 3D FDM à double extrudeur.

Comparé à d’autres technologies utilisant la résine liquide ou la poudre, l’impression par filament fondu disposera d’un niveau de résolution et de précision inférieur, bien que très fines, les couches d’impression peuvent en effet être visible et cette technologie n’est pas conseillé pour la réalisation de pièces très petites et fines (bijouterie, modélisme de précision, etc..). Il est toutefois possible de réduire la présence de stries, en imprimant avec une résolution basse (inférieure à 0,1 mm) et/ou en lissant la pièce après impression (ponçage ou lissage avec de l’acétone).

Les différentes imprimantes 3D FDM

Il existe différents types d’imprimantes 3D à filament fondue, certaines sont dites « cartésienne » elles fonctionnent avec un déplacement de la tête d’impression sur 3 axes (X Y Z), d’autres sont appelée « Delta », elles disposent d’un plateau rond et d’une tête d’impression montée sur trois points triangulaires.

Les modèles les plus courant sont les imprimantes Cartésiennes, il en existe également plusieurs types en fonction de leurs structures et du type d’extrudeurs.

Les structures en portique (plateau mobile sur l’axe Y)

Les machines avec une structure en portique, la tête d’impression se déplace sur l’axe X de gauche à droite et l’ensemble axe plus tête se déplace sur l’axe Z de haut en bas. Sur ces modèles le plateau est positionné en bas et se déplace d’avant en arrière (axe Y) la tête monte au fur et à mesure du dépôt des couches d’impression successives.

Moins précis, ce type de structure est généralement réservé aux machines d’entrée de gamme et destinés au grand public, ont peu pour autant obtenir de très bons résultats avec ce type de configuration. Ces imprimantes sont toujours « ouvertes », l’environnement d’impression n’est pas fermé et donc sujet aux variations de températures, ce qui peut rendre plus difficile l’impression avec certain matériau comme l’ABS.

Les structures à plateau mobile sur l’axe Z

Les imprimantes 3D cartésiennes dont le plateau se déplace sur l’axe Z. La tête d’impression se déplace de gauche à droite (X) et d’avant en arrière (Y), le plateau se positionne en haut à une distance de la buse équivalente à l’épaisseur de la première couche d’impression, et descend sur l’axe Z au fur et à mesure. Ce sont les machines les plus précises, la plupart des imprimantes 3D professionnelles sont conçus selon cette architecture.

Il existe deux types de machines avec cette conception selon la méthode de motorisation des axes X et Y.

Dans le premier cas, il y aura un moteur pas à pas indépendant pour chaque axe, soit un moteur pour le déplacement de l’axe X de gauche à droite et un (parfois deux) moteur(s) pour le déplacement de l’axe Y d’avent en arrière.

Dans le second cas, appelé Core XY, deux moteurs pas à pas fixés sur le châssis et un système de courroies de distribution assurent les mouvements de la tête d’impression et fonctionnant simultanément.  Lorsque les deux moteurs tournent dans le même sens, l’axe X se déplace (vers la gauche ou vers la droite selon le sens de rotation des moteurs), lorsqu’ils tournent dans des sens opposés, c’est l’axe Y qui se déplace d’avant en arrière, quand un seul moteur est actionné, la tête d’impression se déplace en diagonale. Cette technologie peut permettre une impression plus rapide.

Ces machines peuvent être ouvertes, ou en atmosphère fermée, ce qui est préférable pour l’impression avec du filament ABS ou PETG par exemple.

Les extrudeurs 

Il existe principalement deux types d’extrudeurs,

Les extrudeurs direct drive

Le moteur et le système de pignon d’entrainement du filament sont directement montés sur la tête d’impression, la distance sur laquelle le filament est poussé dans la buse est très réduite. Ce système permet de faciliter l’impression avec certain type de matériaux, notamment les filaments souples comme le TPU et obtient une meilleure précision pour les mouvements de retrait du filament. En revanche le poids de la tête d’impression est important, puisqu’il comprend en plus des éléments habituels (corps de chauffe, buses, ventilateurs, etc.), le poids du moteur et de l’extrudeur, ce qui peut créer une inertie et ralentir l’impression. Pour cette raison, ce type d’extrudeur est plus réservé aux imprimantes 3D pro qui disposent d’une structure mécanique adaptée à ce poids.

Les extrudeurs bowde 

Dans cette configuration, l’extrudeur est déporté sur le châssis de la machine et connecté à la tête d’impression par un tube en PTFE pour guider le filament qu’il pousse pour extruder. Ce montage permet d’alléger la tête d’impression. Les principaux inconvénients sont qu’il peut être difficile d’imprimer avec certain matériaux (les filaments en TPU souple notamment risque de créer un phénomène de bourrage) et peut être moins précis.

Quelles sont les différences entre une imprimante 3D FDM professionnelle et un modèle grand public ?

Si le principe de fonctionnement reste le même, avec le déplacement d’une tête d’impression sur trois axes qui dépose un filament fondu à l’aide d’une buse et d’un extrudeur, il existe de grandes différences entre les machines professionnelles et les machines destinée au grand public :

La structure mécanique

Une imprimante 3D est d’abord constituée d’une structure, elle peut être de type portique, en profilés aluminium ou dans un cadre ouvert ou monobloc en aluminium ou en acier. De la rigidité de cette structure, dépendra la précision de l’impression, mais également sa fiabilité et la répétabilité des impressions.

Le principe de fonctionnement étant lié à un déplacement sur des axes, la qualité de ses axes aura également une grande influence sur la précision et la vitesse d’impression. Les axes peuvent êtres mobiles sur de profilés en aluminium avec un système de galets (c’est le cas de la plupart des imprimantes grand public), montés sur des axes de guidages en ronds acier avec des paliers ou sur des rails de guidages de type industriels.

Le nombre de guidages, notamment de l’axe Z, peut également varier, certaines machines disposent de deux axes et d’un plateau monté en porte à faux, d’autres auront quatre axes.

Une imprimante 3D grand public pourra ainsi être constituée d’une structure de type portique en profilés aluminium avec un système de déplacement des axes par des galets, quand une machine professionnelle disposera d’un cadre en acier ou en aluminium et de rails de guidage industriels, la précision et la fiabilité ne seront pas les mêmes.

Les composants

Comme toute machine, une imprimante est constituée d’un certain nombre de composants, électronique ou mécanique, de la qualité de ces composants, comme les semi-conducteurs des cartes mères, les roulements des ventilateurs, les moteurs pas à pas, le matériau des extrudeurs (plastique ou aluminium), etc.… dépendra la fiabilité de l’ensemble.

Une imprimantes 3D FDM professionnelle disposera de composants sélectionnés pour leur plus haut niveau de qualité et de fiabilité.

Les capacités de fabrication

Le premier élément différenciant en termes de capacité qui définira ce qu’une imprimante peut faire, ou ne pas faire, sera son volume d’impression. Une machine professionnelle devra avoir un volume de fabrication adaptée à la dimension maximum des pièces à réaliser (largeur du plateau x longueur du plateau x hauteur max), plus se volume sera important, plus la rigidité de la structure et la qualité des axes auront leur importance, c’est pourquoi les grands volumes de fabrication sont souvent réservés aux machines professionnelles 

Outre le volume maximum d’impression, les capacités différerons également en fonction du type de filament que l’imprimante pourra utiliser. Les filaments souples nécessitent généralement un extrudeur direct drive de qualité, il sera déconseillé d’imprimer ce genre de matériaux avec une imprimante 3D d’entrée de gamme. Certains filaments techniques, comme les PA12 Chargé fibre de carbone, demanderons d’être extruder à haute température (280° ou plus) les matériaux comme l’ABS s’imprimerons plus facilement avec un plateau chauffé à plus de 100° dans une machine fermée. Des filaments très techniques comme le PEK ou ULTTEM nécessitent d’être chauffé à plus de 400° dans une atmosphère hermétique et elle-même chauffée à 160°. Seule les imprimantes 3D professionnelles auront la capacité de couvrir une large gamme de filaments.

Les logiciels

La fabrication additive et notamment la technologie FDM, a connu un grand succès grâce à des pionniers qui ont démocratisé son usage en mettant à disposition de tous des plans et des logiciels de contrôle et d’utilisation en open source.

Si les constructeurs de machines d’entrée de gamme utilisent généralement ces solutions gratuites, leur apportant quelques modifications, les fabricants de matériel pour les professionnels et les industriels disposent en interne d’un service recherche et développement et proposent ainsi leurs propres solutions logicielles, plus adaptées à leurs utilisateurs pros.

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