Qu’est-ce que l’impression 3D FDM et comment fonctionne-t-elle ?

Le dépôt de fil fondu (FDM) est l'une des technologies d'impression 3D les plus répandues aujourd'hui. Cette technologie utilise un filament de matériau thermoplastique comme matière première. Cet article explique le principe de base de l'impression 3D FDM, décrit son fonctionnement, le processus complet étape par étape et aborde le choix du matériau.

Qu'est-ce que l'impression 3D FDM ?

La modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) utilise un filament en matériau thermoplastique comme matière première. Ce filament est chauffé et fondu, puis le matériau liquéfié est extrudé à travers une fine buse située sur la tête d'impression. Après extrusion, le matériau est déposé sur le plateau de construction ou sur la couche précédemment solidifiée. Lorsque la température descend en dessous de son point de fusion, il commence à se solidifier. La pièce finale est formée par superposition de couches successives de matériau.

Comment fonctionne la modélisation par dépôt de fil fondu ?

Avant de décrire le fonctionnement d'une imprimante 3D à dépôt de fil fondu, imaginons d'abord la scène suivante :

Vous tenez un tube de dentifrice chauffé. À l'intérieur, le dentifrice est liquide, mais dès que vous le pressez, il se solidifie instantanément. Vous retournez ensuite le tube et pressez le dentifrice sur la table en effectuant un mouvement horizontal de la main, comme si vous écriviez avec un pinceau chinois. Une fois la première couche réalisée, vous soulevez légèrement le tube et continuez à presser pour former une seconde couche. Le dentifrice nouvellement extrudé adhère alors au précédent, qui se solidifie et sert de support à la nouvelle couche. Vous répétez ainsi l'opération jusqu'à obtenir la forme souhaitée. C'est le principe de base de l'impression 3D par dépôt de fil fondu (FDM) et le principe de fonctionnement des stylos d'impression 3D récemment apparus sur le marché.

Partant de ce principe, les ingénieurs transforment d'abord la matière première en un filament rond d'un diamètre précis. Ce filament est ensuite acheminé progressivement vers la buse d'impression grâce au mécanisme d'alimentation. Dans la buse, la matière est chauffée et fondue. Sous la buse se trouve la tête d'impression, dont la base est munie d'une fine buse (d'un diamètre généralement compris entre 0.2 et 0.6 mm). La pression générée par l'extrusion du filament suivant expulse la matière liquide à l'état fondu.

En raison des exigences du processus, avant de démarrer l'imprimante 3D, il est généralement nécessaire de définir des informations de base telles que l'espacement des couches et la largeur des tracés. Le logiciel de découpe segmente ensuite le modèle tridimensionnel et génère le tracé d'impression. Puis, sous le contrôle du logiciel hôte et de l'imprimante, la buse d'impression effectue un mouvement horizontal sur les axes X et Y, tandis que le mouvement vertical sur l'axe Z est assuré par le plateau d'impression. Simultanément, le filament est acheminé vers la buse par le système d'alimentation. Après avoir été chauffé et fondu, la température de chauffage est généralement réglée quelques degrés au-dessus du point de fusion du matériau brut. Ainsi, lorsque le matériau est extrudé de la buse et se dépose sur le plateau d'impression, il refroidit et se solidifie rapidement. Le matériau imprimé fusionne rapidement avec la couche précédente. Une fois chaque couche terminée, le plateau d'impression descend de l'épaisseur d'une couche et l'imprimante continue l'impression de la couche suivante. Cette étape est répétée jusqu'à ce que le modèle soit entièrement imprimé.

Le secret du procédé FDM réside dans le maintien de la température du matériau fondu extrudé par la buse juste au-dessus de son point de solidification, généralement à environ 1 °C au-dessus. Une température trop élevée engendre des problèmes tels qu'une faible précision et des déformations du modèle imprimé. À l'inverse, une température trop basse ou instable risque d'obstruer la buse et de compromettre l'impression.

Procédé de modélisation par dépôt de fil fondu

Le processus de modélisation par dépôt de fil fondu peut être divisé en 5 étapes : Création d'un modèle 3D >> Conversion en fichier STL >> Découpage >> Impression >> Post-traitement.

1. Créer un modèle 3D

En général, les concepteurs élaborent le modèle numérique tridimensionnel requis à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO), conformément aux spécifications du produit. Parmi les logiciels de conception les plus couramment utilisés figurent Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD et UG.

2. Convertir le modèle au format STL

En général, une maquette bien conçue présente de nombreuses surfaces courbes irrégulières. Avant l'impression, ces surfaces doivent être approximées et ajustées. La méthode la plus courante consiste à convertir et enregistrer le modèle au format STL. Ce format, conçu par la société américaine 3D Systems pour les imprimantes 3D, utilise une série de petits plans triangulaires interconnectés pour approximer les surfaces courbes, obtenant ainsi un modèle 3D approximatif prêt à être imprimé rapidement. La plupart des logiciels de CAO permettent d'exporter des fichiers au format STL, comme Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG, etc.

3. Découpez le modèle et ajoutez des supports

L'impression 3D décompose le modèle, le fabrique couche par couche en fonction de la structure de ces couches, puis les assemble. Par conséquent, le modèle tridimensionnel au format STL doit d'abord être découpé en tranches et converti en un modèle de couches compatible avec l'imprimante 3D. De nombreuses imprimantes 3D disponibles sur le marché sont fournies avec leur propre logiciel de découpage. Après avoir configuré les paramètres de base, le logiciel calcule automatiquement les informations de structure du modèle.

4. Lancer l'impression

Conformément au principe d'impression FDM présenté précédemment, on peut imaginer que, pour certaines structures de grande portée, le système doit ajouter des supports. Sans cela, lorsque la couche supérieure est nettement plus épaisse que la couche inférieure, une partie de la couche supérieure imprimée ultérieurement risque de se retrouver suspendue, provoquant un affaissement ou une déformation partielle et affectant gravement la précision de l'impression. Par conséquent, le modèle imprimé final comprend généralement deux parties : les supports et la partie pleine. Le logiciel de découpe calcule et détermine automatiquement la nécessité d'ajouter des supports en fonction des différentes formes du modèle à imprimer.

Parallèlement, les supports ont une autre fonction essentielle : établir la couche de base. Avant l’impression proprement dite, une couche de base est d’abord imprimée sur le plateau d’impression, puis le modèle est imprimé par-dessus. Cela permet d’obtenir une base plus plane et facilite le démoulage. La mise en place des supports est donc une étape clé de l’impression FDM. Une bonne couche de base fournit un plan de référence précis pour l’ensemble du processus d’impression, garantissant ainsi la précision et la qualité du modèle imprimé.

5. Suppression des supports et post-traitement

Pour les modèles fabriqués par FDM, le post-traitement consiste principalement à retirer les supports et à poncer la surface extérieure. Il faut d'abord enlever les supports du modèle solide, puis poncer sa surface extérieure afin que la précision et la rugosité de surface du modèle final soient conformes aux exigences.

Cependant, l'expérience montre que les supports des modèles imprimés en 3D par la technologie FDM, notamment pour les structures complexes et fines, sont difficiles à retirer complètement sans altérer le modèle. En effet, la surface du prototype risque d'être endommagée, ce qui a un impact considérable sur la qualité de la finition. Pour pallier ce problème, Stratasys, géant de l'impression 3D, a développé en 1999 un matériau de support hydrosoluble. Le rinçage du modèle imprimé avec une solution dissolvant le matériau de support, sans l'endommager, a permis de résoudre efficacement ce problème. Toutefois, à l'heure actuelle, les imprimantes FDM développées en Chine ne permettent pas encore d'obtenir ce résultat, et le post-traitement des modèles imprimés reste un processus relativement complexe.

Matériaux utilisés dans la modélisation par dépôt de fil fondu

Actuellement, les matériaux de filament les plus courants sont principalement l'ABS, le PLA, le caoutchouc synthétique, la cire et les thermoplastiques polyester. Certains équipements nécessitent l'utilisation de deux matériaux : un matériau de modélisation pour imprimer la pièce pleine et un matériau de support pour déposer les pièces creuses ou en porte-à-faux.

Comparativement aux autres technologies d'impression 3D, la gamme de matières premières disponibles pour l'impression FDM est relativement large. Lors du choix des matériaux pour la pièce solide du modèle, les facteurs suivants doivent principalement être pris en compte :

• Viscosité : Plus la viscosité est faible, plus la résistance est faible, ce qui facilite la formation du film et réduit le risque d'obstruction de la buse.
• Point de fusion : Plus la température du point de fusion est proche de la température ambiante, plus la consommation d’énergie d’impression est faible, ce qui contribue à améliorer la durée de vie mécanique de la machine, à réduire les contraintes thermiques et, par conséquent, à améliorer la précision d’impression.
• Adhérence : L'adhérence du matériau déterminera la résistance de la liaison entre les couches de l'objet imprimé.
• Retrait : Plus le taux de retrait du matériau est faible, plus la précision de l'article imprimé est garantie.

En ce qui concerne les matériaux de support, le procédé FDM présente principalement les exigences suivantes :

• Selon la nature des matériaux solides, le matériau de support doit pouvoir résister à une certaine température élevée.
• Il ne doit pas y avoir de contact humide entre le matériau de support et le matériau solide afin de faciliter le post-traitement.
• Comme un matériau solide, il lui faut une bonne fluidité.
• Il est préférable de présenter des caractéristiques telles que la solubilité dans l'eau ou la solubilité dans l'acide.
• Une température de fusion plus basse est préférable.

Équipement typique

Les matériaux utilisés pour l'impression FDM sont généralement des thermoplastiques, tels que la cire, l'ABS, le PC, le nylon, etc. Les matériaux d'impression standard sont généralement fabriqués à partir de filaments, et leur coût est généralement faible. Le prix unitaire de l'ABS ou du PLA en Chine est généralement inférieur à 100 RMB (environ 15 dollars) le kilogramme. De plus, comparé aux équipements d'impression utilisant des matériaux en poudre ou liquides, le filament est plus propre, plus facile à remplacer et à stocker, et le processus d'impression ne génère aucune pollution par des poudres ou des liquides.

De nombreuses imprimantes 3D à dépôt de fil fondu sont disponibles sur le marché, notamment des imprimantes de bureau conçues pour le grand public. Le monde du dépôt de fil fondu est en plein essor. Les plus connues, comme la Thing-O-Matic de MakerBot, les imprimantes de la série Replicator et l'imprimante Cube de 3D Systems, sont toutes des imprimantes 3D d'entrée de gamme utilisant la technologie FDM.

Tolérances et capacités

Chez Getzshape, notre Services d'impression 3D Nous proposons quatre technologies principales : SLA, SLS, SLM et FDM. Nos tolérances et capacités d’impression 3D FDM sont indiquées ci-dessous.

Finitions pour composants imprimés FDM

• PonçageÉtape de finition de surface essentielle pour les pièces imprimées en FDM. Elle consiste à utiliser du papier de verre de différents grains pour éliminer les lignes de couches visibles et lisser la surface.
• PeintureTout d'abord, la surface est poncée pour la lisser. Ensuite, une sous-couche est appliquée pour favoriser l'adhérence de la peinture. Puis, la peinture de couleur est appliquée au pistolet ou au pinceau. La peinture permet de masquer complètement les lignes de couches, de donner à la pièce une belle couleur et de lui conférer un aspect lisse. Elle est largement utilisée pour les maquettes, les prototypes et les produits finis.
• PolissageLe polissage permet de rendre la surface des pièces FDM lisse et brillante. Après un ponçage initial, des produits ou outils de polissage spécifiques sont utilisés pour lisser la surface. Ce procédé élimine les micro-rayures et confère à la pièce un aspect brillant. Le polissage est particulièrement efficace sur des matériaux comme le PLA et l'ABS.
• Lissage à la vapeurIl s'agit d'une méthode de finition chimique spéciale, principalement utilisée pour les pièces en ABS. La pièce imprimée est placée dans un récipient fermé contenant des vapeurs de solvant. Ces vapeurs font légèrement fondre la surface de la pièce, ce qui provoque la fusion des couches et leur lissage. Après ce procédé, la pièce présente une surface très lisse et brillante, sans couches visibles.