Comment fonctionne une imprimante 3D ?

Depuis une dizaine d’années, l’imprimante 3D se démocratise, et se retrouve dans de plus en plus de foyers. Auparavant réservée à un public de passionnés avertis, elle est désormais accessible à tous. La récente baisse des prix, initiée par quelques marques chinoises, a permis une démocratisation rapide.

Pourquoi l’imprimante 3D ?

Une imprimante 3D peut être utilisée dans bien des domaines, pour autant je ne vais m’en tenir ici qu’aux imprimantes domestiques.

L’imprimante pourra servir à beaucoup de choses : impression de pièces de rechange, création de pièces détachées pour les makers, objets de la vie quotidiennes, jouets, objets de décoration, etc. Le principal intérêt étant que la réalisation de pièces a un faible coût, auquel s’ajoute une grande satisfaction d’avoir réalisé la pièce soi-même.

À quoi ressemble une imprimante 3D ?

Une imprimante 3D peut revêtir différentes formes, mais pour des raisons pratiques je vais me limiter à l’imprimante cartésienne. Ceci pour une raison toute simple : c’est l’imprimante idéale pour débuter dans l’impression 3D, de par son fonctionnement simple.

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L’imprimante cartésienne fonctionne en déplaçant une buse selon les axes X, Y et Z. Cette buse délivre un fin filament de plastique chauffé qui se solidifie en refroidissant. En superposant des couches de plastique, l’objet se forme. Voyons voir comment est constituée une imprimante cartésienne.

Le châssis

Le plus souvent en plastique (acrylique) ou en métal (profilé alu), il reçoit tous les autres éléments. Regardé par le côté, il prend le plus souvent la forme d’un T à l’envers, la partie verticale représentant l’axe Z (qui va permettre de superposer les différentes couches de plastique).

Le châssis se doit d’être le plus rigide possible, afin d’éviter au maximum les défauts d’impression que des vibrations indésirées pourraient générer : vaguelettes, zig-zag etc.

Le lit (ou bed)

Le lit est la partie plane qui va recevoir le modèle imprimé. Il se déplace sur l’axe Y, donc dans le sens de la profondeur.

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Le challenge principal pour le lit est de faire adhérer le modèle imprimé, afin que sa base ne se décolle pas en cours d’impression. Ce décollement, s’il est partiel, entraîne une déformation de la base appelée warping, mais si le décollement est total, c’est hélas un échec pur et simple de l’impression, qui peut se solder par un gros tas de filament enchevêtré.

Il existe plusieurs moyens d’obtenir cette adhérence. Le premier est d’utiliser un lit chauffant, qui va permettre au matériau de conserver une certaine élasticité et d’éviter le décollement. Hélas, la plupart du temps, cela ne suffit pas. On va donc avoir recours à d’autres stratagèmes, comme recouvrir le plateau d’un adhésif de peintre, ou d’une plaque de verre sur laquelle on va vaporiser de la laque à cheveux ou badigeonner de la colle en stick.

Le chariot

Le chariot se déplace sur l’axe X, de gauche à droite, et embarque une pièce maîtresse : l’extrudeur. Celui-ci reçoit le filament (au diamètre de 1,75mm le plus souvent), le chauffe par le biais d’une résistance chauffante, à des températures avoisinant les 200 degrés centigrades. Le plastique fondu s’accumule dans la buse, et grâce à la pression exercée en amont par le filament, mû par le moteur d’extrusion, il est éjecté par l’orifice de la buse à un diamètre de quelques dixièmes de millimètre. Le diamètre de buse le plus fréquemment rencontré est de 0,4mm.

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En fonction du type de matériau utilisé, le plastique, à peine sorti de la buse, doit immédiatement être refroidi, afin de se solidifier sans engendrer de déformation. Un ventilateur (ou deux) fixé au chariot, souffle de l’air frais à la sortie immédiate de la buse.

Enfin, le moteur d’extrusion, qui pousse le filament dans l’extrudeur est parfois fixé au chariot. Mais de plus en plus souvent, il reste fixé au châssis, selon un montage appelé Bowden, qui allège le chariot et permet d’éviter des vibrations supplémentaires, qui pourraient engendrer des défauts d’impression.

Les moteurs

Les moteurs sont essentiels également sur une imprimante 3D, et ils se doivent d’être d’une précision redoutable. On utilise le plus souvent :
– un moteur pour l’extrudeur
– un moteur pour l’axe X
– un moteur pour l’axe Y
– un à deux moteurs pour l’axe Z.

Le moteur pour l’axe X est situé sur le bras du chariot, et déplace le chariot gràce à une poulie et une courroie. Le même système est utilisé pour l’axe Y, dont le moteur se situe sous le lit.

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Les moteurs de l’axe Z sont situés en bas du portique, de part et d’autre du lit. Ils sont couplés à des vis sans fin, qui vont agir en tant que réducteur afin d’obtenir une précision maximale et un pas de déplacement vertical le plus faible possible.

L’alimentation

L’alimentation doit être suffisamment puissante, car elle doit permettre de fournir l’énergie pour chauffer le lit (entre 50 et 110 degrés) et l’extrudeur (entre 180 et 220 degrés). Le câblage doit être le plus soigné possible afin d’éviter tout risque d’incendie. Bien entendu, elle devra être refroidie pour éviter tout risque de surchauffe.

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La carte mère

La carte mère rappelle les micro-contrôleurs de type Arduino ou les micro-PC de type Raspberry Pi. Elle envoie les informations nécessaires à chaque élément auquel elle est branchée : chauffe de la buse et du lit, déplacement des moteurs, extrusion, ventilateurs.

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Le logiciel

Afin d’imprimer correctement un modèle, hors de question de le lui envoyer tel quel. Certes, elle pourrait imprimer à la volée un modèle au format STL, mais on ferait alors l’impasse sur de nombreux paramètres. C’est là qu’intervient le trancheur.

Le trancheur (slicer)

Plus communément appelé slicer, ce logiciel permet de convertir un modèle 3D en un langage compréhensible par l’imprimante, et consistant en une simple suite d’actions à réaliser.

Le slicer permet de régler certains paramètres, qui joueront sur la qualité d’impression :
– vitesse d’impression
– hauteur de couche
– température du lit
– température du matériau
– débit du matériau

ainsi que de nombreux autres paramètres comme l’épaisseur de la coque, le taux de remplissage, le retrait et plein d’autres réglages qui joueront également sur la qualité finale du modèle imprimé.

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Les réglages effectués, le langage GCODE sera généré, puis envoyé à l’imprimante par USB, clé USB ou carte mémoire. Quelques heures plus tard, si tout va bien, votre modèle sera terminé.

Le matériau

Bien entendu, la meilleure imprimante au monde n’ira pas bien loin sans fourniture. Nous aurons ici besoin de filament de plastique à faire fondre. Celui-ci pourra être composé de plusieurs façons, mais les plus courants sont l’ABS et le PLA. On les trouve le plus souvent en rouleaux de 1kg, ce qui représente environ 400m de matériau et quelques dizaines de modèles à imprimer.

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Ces deux matières se distinguent par leur composition, d’origine pétrolifère pour l’ABS et végétale pour le PLA, mais aussi par leur température d’utilisation, plus élevée pour l’ABS que pour le PLA. Et si le PLA est moins sujet aux défauts d’impression, notamment le warping, il est plus difficile de lui donner un état de surface parfaitement lisse que pour l’ABS. Chaque matériau aura ses avantages et ses inconvénients.

Conclusion

L’imprimante n’est que la première brique. Réussir une belle impression est un vrai plaisir, tant les paramètres à maîtriser sont nombreux. Et une fois les bons réglages trouvés, la seule limite, c’est l’imagination !

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Liens

Modèles à télécharger : https://thingiverse.com
Tout sur les imprimantes Reprap : https://reprap.org/wiki/RepRap
Le site officiel de Josef Prusa : https://reprap.org/wiki/RepRap

Crédits photo

Toutes les photos sont personnelles.


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