Comment choisir son imprimante 3D ?

Au travers de cet article je vous propose de faire un petit tour d’horizon de ce qui se cache derrière ce terme et les résultats que l’on peut en attendre dans le cadre d’une utilisation personnelle pour un hobby comme le modélisme. Les éléments présentés ici ne sont que le fruit de notre expérience dans l’utilisation de ces machines depuis plusieurs années et n’ont pas pour vocation de représenter une vérité absolue.

Alors, qu’est-ce qu’une imprimante 3D ?

L’imprimante 3d dont nous parlerons ici est également nommé imprimante à procédé FDM (Fused Deposition Modeling), soit en Français modélisation par dépôt en fusion.
Le principe théorique en est très simple et repose sur le fait de déposer en couches successives une matière en fusion suivant un trajet précis correspondant au dessin d’une pièce.
En « empilant » ainsi les couches on finit par obtenir une pièce en trois dimensions.

Il existe différentes matières utilisables pour réaliser des impressions 3d. Elles sont présentées sous forme de filament qui est enroulé sur une bobine. C’est cette matière qui va être chauffée pour passer à l’état de fusion puis être guidée au travers d’une buse calibrée pour être ensuite déposée en couches successives sur un plateau où se formera la pièce.

Voilà pour la théorie, la pratique est bien entendu un peu plus complexe mais nous allons voir que cela reste finalement assez simple.

De la création à l’impression 3d, quel processus ?

L’imprimante 3d n’est que le dernier maillon d’une chaine conduisant à la fabrication d’une pièce. Avant cette ultime étape il existe deux phases préalables importantes :

  • La première consiste à concevoir la pièce dans un logiciel de modélisation en 3d
  • La seconde sera ensuite « d’interpréter » ce dessin en 3 dimensions pour qu’il puisse être traduit en mouvements et dépôts de matière par l’imprimante elle-même.

L’étape qui est certainement la plus complexe, à l’heure actuelle, dans ce processus est celle de la conception et du dessin de la pièce elle-même. Cela fait en effet appel à des connaissances assez fastidieuses à acquérir. Les logiciels évoluent rapidement et sont de plus en plus intuitifs mais il n’en reste pas moins que pour certaines pièces, les notions de mécanique sont indispensables pour créer des pièces fonctionnelles et solides.

C’est pour cette raison qu’il est aujourd’hui possible de trouver de nombreuses pièces qui sont déjà dessinées et prêtes pour l’impression 3d. A l’image de la musique en ligne, les fichiers sont proposés gratuitement ou payant en fonction de leur complexité. Vous trouverez certainement sur ces serveurs des pièces ludiques ou pratiques pour certains domaines de la vie courante, par contre, les projets liés à des domaines spécifiques et complexes sont encore relativement rares.

Une fois le dessin de la pièce en votre possession, reste à interpréter celui-ci pour qu’il puisse être reconnu par votre imprimante. Cette phase se nomme tranchage ou plus communément désignée sous le terme de Slicer (tranchage en anglais). Il existe là encore de multiples logiciels de tranchage et souvent recommandé le fabricant d’imprimante en recommande un pour lequel il aura parfois implémenté les paramètres de son modèle directement dans le logiciel.

Cette étape va consister à découper la pièce en couches successives puis à transformer le dessin en instructions qui piloteront l’imprimante 3d. Ce dernier processus, contrairement à l’étape de conception de la pièce, est largement automatisée et ne fait pas appel à des connaissances spécifiques. Seule l’expérience dans l’utilisation de votre machine vous permettra d’affiner certains paramètres d’impression pour obtenir de meilleurs résultats.

Les différents types d’imprimante 3D

Pour pouvoir suivre un déplacement en trois dimensions, les parties principales de l’imprimante doivent se déplacer. Parfois seule la tête d’impression se déplace dans les trois axes ou une combinaison de déplacement de la tête d’impression et du plateau support de la pièce sont réalisés.

Donc, même si le principe théorique reste le même, il existe aujourd’hui plusieurs variantes et types d’imprimante 3d. Chacune d’entre elles ayant bien entendu des avantages et des inconvénients. Un petit tour des principales architectures d’imprimante nous permet d’en distinguer principalement trois qui sont :

Architecture classique

C’est la configuration la plus courante et la plus populaire. Dans ce cas la tête d’impression se déplace dans l’axe verticale de Z alors que le plateau support de pièce se déplace dans les axes X et Y. Popularisé par Prusia, cette architecture reste très utilisée. Le principe de fonctionnement et de maintenance est simple et les machines les plus accessibles financièrement sont généralement dans cette catégorie. Au chapitre des inconvénients, le déplacement suivant les axes X et Y de la pièce peut générer des à-coups parfois préjudiciables au bon maintien de la pièce sur son plateau.

Imprimante Delta

Pour pallier au problème de mouvement du plateau et n’avoir qu’un déplacement de la tête d’impression suivant les trois axes X, Y et Z certains fabricants ont opté pour une nouvelle architecture dénommée Delta. Celle-ci utilise 3 bras montés sur rotule qui sont indépendamment pilotés par un moteur. En combinant les déplacements de chaque bras, la tête d’impression se déplace sur les 3 axes et dans une surface inscrite dans un cercle.

Au final cela permet un seul déplacement de la tête d’impression et donc supprime grandement le risque de décollement de la pièce du plateau support. En contrepartie, le volume d’impression est généralement légèrement plus faible qu’avec une imprimante classique de même taille.

Type Core XY

La dernière génération d’imprimante 3D a inauguré une nouvelle architecture reposant sur un mouvement de la tête d’impression suivant les axes X et Y alors que le plateau support de pièce est lui piloté sur l’axe vertical Z. Dans ce cas les bénéfices sont une grande surface d’impression avec un mouvement limité de la pièce sur l’axe vertical n’engendrant pas de déplacements brusques qui pourraient conduire au décollement de la pièce du plateau.

Il faut par contre être attentif à la bonne rigidité de la structure de la machine pour ne pas engendrer des écarts de position de la tête d’impression tout au long du processus de réalisation de la pièce.

Les éléments clés d’une imprimante 3D

Une imprimante 3d ne se résume bien entendu pas seulement à son architecture mais également au type et à la qualité de ses principaux éléments constitutifs. Parmi eux, il est important de bien vérifier les composants suivants :

La tête d’impression

Son rôle est crucial car c’est elle qui va faire fondre la matière et la déposer pour constituer la pièce. Elle est principalement constituée d’un corps de chauffe, d’une buse de réduction et d’un ventilateur. La matière, sous forme de filament est amenée à la tête d’impression par un extruder (nous verrons plus loin son fonctionnement), le corps de chauffe la fait fondre puis elle est poussée au travers de la buse pour constituer un petit « boudin » qui est déposé en mouvement pour créer la pièce.

La température du corps de chauffe est programmée par le logiciel en fonction de la matière utilisée. Généralement la plage de température utilisée va de 160° à 250°. Mais une fois fondue et poussée à travers la buse, la matière doit être refroidie pour se solidifier une fois au contact de la pièce. C’est le rôle du ventilateur qui accompagne la tête d’impression.

Il est à noter que les buses sont disponibles dans différents diamètres.

Le diamètre standard est de 0,4mm (ce qui correspondra au diamètre de sortie du « boudin ») mais il existe des valeurs plus ou moins importantes. En fonction du travail à réaliser il pourra alors être intéressant de changer de diamètre de buse pour obtenir des pièces plus fines et précises (diamètre faible 0,2 à 0,3mm) ou plus important (0,5 à 0,8mm) pour un travail plus rapide ou des pièces plus grosses.

Ces valeurs sont adaptées dans le cas de l’utilisation d’un filament de 1,75mm ce qui est le cas le plus courant pour les imprimantes qui nous concernent ici. Il existe également des têtes d’impression et donc des machines qui sont destinées à utiliser des filaments d’un diamètre de 3mm. Celles-ci sont plus rares et destinées à des utilisations spécifiques mais peu en rapport avec nos hobbies.

Certaines machines sont également équipées de deux (voir plus) têtes d’impression. Cela permet d’utiliser simultanément 2 filaments pour des couleurs ou des matières différentes. Ceci est bien entendu intéressant mais conduit à une mécanique plus complexe et généralement à des dimensions d’impression légèrement réduites.

L’extruder

Associé à la tête d’impression, l’extruder a pour fonction de pousser ou tirer le filament tout au long du processus d’impression. Son rôle est clé car de son bon fonctionnement dépendra la qualité d’impression de la pièce.

Il doit en effet pousser et tirer la bonne quantité de matière au bon moment.

Et oui, il ne fait pas que pousser le filament vers la tête d’impression, Il doit également tirer le filament en fin de passe sur une couche pour éviter les surplus de matière qui seraient néfastes à la bonne géométrie de la pièce.

Le système d’entrainement est souvent l’une des principales causes de dysfonctionnement de la machine. Il est donc important de bien le régler, généralement via des vis de pression, pour garantir de bons résultats.

Le plateau support de pièce

Voilà également un maillon important de l’imprimante 3d. Son rôle est de supporter la pièce tout au long du processus d’impression sans que celle-ci ne se décolle sous la pression du contact de la tête d’impression ou de ses mouvements.

Généralement le plateau est chauffant avec des températures ajustables suivant la matière utilisée. Le fait de chauffer le plateau permet à la matière de ne pas se refroidir trop rapidement à son contact et donc de mieux adhérer à la surface. Par radiation, l’ensemble des premières couches est ainsi maintenu à une certaine température tout au long de l’impression de la pièce.

En cas de plateau non chauffant il devient très difficile voire impossible d’utiliser certaines matières, comme l’ABS. La chauffe du plateau permet également de diminuer ou supprimer un phénomène classique dans le monde de l’impression 3d qui est le warping (voire plus loin).

Ce composant de l’imprimante n’est donc pas à négliger au moment de la sélection du modèle. Préférez les versions qui sont équipées d’un plateau chauffant pouvant atteindre une température de 110°, ce qui permettra l’impression de pièces en ABS.

Capteurs de position

L’impression 3d faisant appel à une grande précision de positionnement de sa tête d’impression et de son plateau (en cas d’imprimante à plateau mobile) il est primordial de garantir un parfait positionnement de ces éléments.

C’est le rôle des capteurs de position qui permettent d’assurer une mise à niveau automatique et instantanée des parties en mouvement.

Il est important de vérifier que le modèle sélectionné en soit équipé, sans quoi il sera nécessaire d’ajuster manuellement et régulièrement le positionnement de la tête d’impression et du plateau.

Imprimante 3D en caisson ou pas ?

Suivant l’usage envisagé de l’imprimante et particulièrement de la matière qui sera employée il est nécessaire de considérer un modèle d’imprimante dans un caisson fermé ou non. Pourquoi ? Simplement car des matières comme l’ABS devront être extrudées dans un environnement à une température comprise entre 50° et 60° sans quoi il sera impossible d’obtenir de bons résultats.

Cela implique alors que le volume d’impression de l’imprimante soit un espace clos, chauffé avec une circulation pilotée de l’air chaud à l’intérieur de l’enceinte. Si vous ne pensez pas utiliser de matières comme l’ABS mais utiliser uniquement du PLA ; alors l’enceinte de l’imprimante n’est pas impérative.

A l’inverse, il faudra veiller à ce que le modèle sélectionné soit équipé d’un chauffage pulsé de qualité.

Par contre, attention, l’électronique n’apprécie généralement pas les hautes températures. De ce fait dans l’idéal, la partie électronique de l’imprimante doit être déportée hors du caisson pour ne pas évoluer sous des températures trop élevées.

Version kit ou assemblée

De nombreux modèles d’imprimantes venue d’Asie sont proposées en version kit. Ce type de configuration permet d’avoir accès à des modèles relativement peu onéreux qui sont parfois une bonne manière de découvrir cet univers. Cela peut donc représenter un bon choix mais il est important de savoir que le montage et le réglage d’une imprimante peut représenter plus d’une dizaine d’heures de labeur.

Cette aventure est donc à réserver à ceux qui ont une âme de bricoleur et le goût de découvrir le fonctionnement de « A à Z » de cette machine.

N’oubliez pas également qu’en cas d’achat à l’étranger, bien souvent en Asie, le support après-vente n’est pas toujours simple à obtenir, qui plus est en langue française. Le choix d’un fournisseur local sera généralement un peu plus cher mais vous aurez au moins l’assurance d’échanger en Français et la garantie d’échange de pièces défectueuses.

Pour ceux qui sont à la recherche d’une solution « plug en play », il existe de nombreux modèles dans une large fourchette de prix. Il faudra cependant faire attention aux propositions intégrant des composants propriétaires qui ne vous garantiront pas un large choix.

Dans ce domaine il est aussi important de privilégier les modèles utilisant des bobines de filament « classique » et non pas des formats spéciaux qui vous lieront au seul fabricant de votre imprimante.

Les matières utilisées en impression 3D

Composant essentiel de l’impression 3d le choix du filament et de sa matière est un élément clé qui déterminera l’utilisation de votre pièce imprimée.

Les deux matières les plus couramment utilisées sont le PLA et l’ABS. Ce sont tous les deux des polymères et des thermoplastiques qui ont la particularité de devenir mou lorsqu’ils sont chauffés pour redevenir solide en refroidissant.

PLA

La matière la plus couramment utilisée est le PLA. C’est un filament écologique puisqu’il est constitué d’amidon de maïs, de racine de manioc et de betterave. Sa température d’impression est située entre 170° et 210° et même s’il est préférable de l’utiliser avec un plateau chauffant cela n’est pas indispensable.

Sa limite réside dans le fait qu’il soit sensible à la température et à l’humidité et que cela puisse engendrer des déformations de pièces. Sa résistance aux contraintes est également plus limitée que pour l’ABS. Le PLA est bien adapté à la réalisation de pièces de décoration ou objet non sollicitée par des efforts.

ABS

Autre filament phare dans le domaine de l’impression 3d, l’ABS est quant à lui fabriqué à base de pétrole. Il est plus résistant et moins sensible que le PLA. Il sera donc à privilégier pour les pièces devant subir des contraintes. Pour l’exploiter, l’imprimante devra par contre être équipée d’un bon plateau chauffant, d’une enceinte d’impression clause et chauffée pour éviter les phénomènes de « wraping ».

L’ABS est fondu au contact de l’acétone, ce qui peut permettre de coller des pièces entre elles ou de les lisser par légère application d’un chiffon imbibé d’acétone. L’ABS est imprimé à une température de buse située entre 220° et 240°.

PETG

Ce plastique polyester est couramment utilisé dans la fabrication de nombreux objets du quotidien comme les bouteilles plastiques. Il est désormais possible de le trouver sous forme de filament qui est compatible avec les imprimantes 3d.

C’est une bonne alternative à l’ABS avec des propriétés mécaniques assez similaires. Il s’imprime à une température entre 195° et 240° suivant le fabricant.

HIPS et PVA

Ces deux matériaux sont destinés à servir de support durant l’impression de pièces complexes pour ensuite être dissous au moyen d’eau ou de solvant. Leur utilisation est donc conjointe à un filament de PLA ou d’ABS et impliquera que l’imprimante dispose de deux têtes d’impression. Leur usage est plutôt réservé à des application semi ou professionnelles.

Autres matériaux d’impression

De multiples autres matériaux ou associations de matériaux sont disponibles sur le marché. Cela va du filament souple pour la réalisation de pièces déformables au filament Nylon ou Polypropylène pour la réalisation de petites pièces très résistantes.

Il faut également noter l’apparition de filaments PLA ou ABS désormais associé à des particules de carbone ou de kevlar visant à améliorer leurs propriétés mécaniques. Toutes ces matières représentent un vaste champ d’expérimentation qui ravira les plus passionnés ou les utilisateurs à la recherche de fonctions spécifiques.

Quelle que soit la matière il est primordial de veillez à  un bon usage du filament en respectant les consignes des fabricants et d’assurer une bonne ventilation de l’environnement de travail. Certains matériaux, comme l’ABS, dégageant des micro particules durant l’impression vous comprendrez que cette notion de sécurité soit importante.

Quels logiciels en complément de l’imprimante 3D ?

Comme nous l’avons vu en introduction, l’imprimante 3d n’est que le maillon final d’un processus complet de création. Avant d’imprimer une pièce il faut donc la créer puis ensuite l’adapter dans un langage compréhensible par l’imprimante.

Les logiciels de modélisation ou création de pièces en 3 dimensions

L’industrie utilise depuis de nombreuses années des logiciels de modélisation pour la création de pièces en DAO.

Ces outils sont très performants et permettent toutes les prouesses et la conception de pièces les plus complexes. Par contre leur utilisation requiert une longue phase d’apprentissage qui rebutera bon nombre de candidats.

Les logiciels les plus connus dans ce domaine sont Solidworks et Autocad. Avec eux pas de limites de création mais un investissement temps et financier très important.

Il existe cependant aujourd’hui des alternatives à ces mastodontes tout en disposant de fonctionnalités largement suffisantes pour la création de bon nombre de pièces et une accessibilité demandant un apprentissage moins long.

Du point de vue financier, certains sont même proposés gratuitement. La liste est désormais longue mais on pourra consulter les offres de DesignSpark Mechanical ou de Sketchup.

Les pièces conçus dans ces logiciels seront ensuite enregistrées au format.stl qui est désormais le format standard d’échange pour l’impression 3d.

Les logiciels de tranchage et de pilotage de l’imprimante 3d

Une fois les pièces créées, enregistrées ou téléchargées sur une plateforme d’échange au format stl il est alors nécessaire de lui faire subir un tranchage en couches successives que l’imprimante va pouvoir interpréter en mouvements et dépôt de matière.

Cette démarché spécifique est nommée « Slicer » en anglais. Elle est importante car d’elle va dépendre une bonne partie de l’exécution de l’impression en 3d et de la qualité de la pièce obtenue.

La pièce est ainsi découpée en couches successives en lui associant les instructions qui seront données à l’imprimante : quantité de matière, vitesse de déplacement, mode de remplissage, épaisseur des couches etc…

Ces instructions sont créés en langage G-Code qui est le langage universel de pilotage en CAO depuis de longues années.

Parmi les principaux réglages accessibles au moment du tranchage, certains ont une importance capitale.

Il est ainsi possible de définir l’épaisseur de chaque couche avec pour conséquence qu’une faible épaisseur donnera une pièce plus précise mais plus longue à imprimer car comportant plus de couches.

La densité d’impression a également une influence importante. Ce paramètre est également défini et permet de faire varier le taux de remplissage de la pièce. Imaginons l’impression d’un cube. Celui-ci pourra être complètement rempli de matière ou bien sera constitué à l’intérieur d’une structure, par exemple en nid d’abeille, permettant de réduire considérablement la masse tout en conservant des propriétés mécaniques acceptables.

Pour les logiciels les plus performants, de nombreux réglages sont disponibles et seule l’expérience permettra de trouver la meilleure adéquation entre le logiciel et la machine. Il existe la encore de nombreux logiciels pour cette fonctionnalité. Parmi les plus connu on citera : Kisslicer, Repetier, Cura, Simplify3d.

A chacun de trouver sa préférence en regard de ses fonctionnalités et de son ergonomie.

Le « wraping », c’est quoi ?

Parmi les problèmes rencontrés dans l’utilisation d’une imprimante 3d on notera principalement le phénomène de « wraping ». Alors en quoi consiste t- il ?

Le « wraping» est un phénomène physique  qui apparaît lorsque la matière (PLA ou ABS) est chauffée pour passer à l’état visqueux puis ensuite refroidi. A cette étape des tensions apparaissent dans la matière entre la phase de dilatation (en étant chauffé) et celle de rétractation (en refroidissant).

C’est à cause de ce phénomène que l’on peut voir apparaître des déformations des pièces au cours de l’impression. Particulièrement sur des pièces fines et longues avec une faible surface de contact avec le plateau. Pour contrecarrer ce problème il existe plusieurs solutions.

Les premières sont matérielles et liées à l’imprimante. Il faudra ainsi privilégier un plateau chauffant qui permettra de maintenir les premières couches de l’impression à une température minimale réduisant le phénomène de « wraping ».

L’apparition de ce problème conduit également à une plus faible accroche de la pièce sur le plateau. Il sera donc judicieux de porter une attention toute particulière à la matière constituant le support. Plusieurs solutions existent, du film en kapton aux produits à base de colle (stick UHU) ou les feuilles de PEI.

Il peut également arriver que le calibrage en hauteur, sur l’axe des Z, soit mal réalisé. De fait, la première couche est trop faiblement accrochée sur le plateau. Il en découlera inévitablement un décollement de la pièce durant l’impression.

Les secondes solutions sont logiciels. Elles ont pour but d’adapter la vitesse d’impression à la taille des pièces ou bien d’ajouter des surfaces liées à la pièce qui viendront augmenter son empreinte sur le plateau support.

Vous trouverez les terminologies de BRIM ou RAFT pour désigner ces dernières techniques. Suivant le logiciel de tranchage utilisé il est possible d’ajouter ce « lit » sous la pièce elle-même pour améliorer son accroche.

N’oubliez également pas que le dessin de la pièce et de ses différents niveaux de remplissage peut également conduire à des contraintes de retrait interne qui soient très différentes d’un bord à l’autre.

Il sera donc important de bien définir le mode et le pourcentage d’une pièce en fonction de sa géométrie.

Quel usage pour l’imprimante 3d dans le domaine du modélisme ?

Depuis plusieurs années le phénomène imprimante 3d est en train de révolutionner nombre de secteurs. Le modélisme n’échappe pas à cet engouement et c’est bien naturel. Chacun peut désormais créer ses propres pièces et les imprimer immédiatement dans la matière et la couleur de son choix.

Bien entendu il y a certaines limites telles que le temps d’impression relativement long et proportionnel aux dimensions de la pièce. De cette limite découle également une restriction sur la taille des pièces qui peuvent être imprimée (généralement d’un volume maximum d’un carré de 20cm de coté).

Il est par contre relativement simple de coller des pièces entre elles pour réaliser des modèles aux dimensions impressionnantes.

La matière privilégiée dans le secteur du modélisme sera l’ABS de par sa résistance mécanique plus importante ainsi que sa moindre sensibilité à l’humidité et à la chaleur, comparativement au PLA.

Alors, même s’il faut prendre garde au poids des pièces, une conception étudiée permettra de combler cette lacune du plastique versus les matériaux habituels du modélisme comme le bois ou la résine.

Le balsa et autres bois font désormais place à cette matière pour nombre de créations. Précision, répétivité et complexité des pièces sont de mises avec l’imprimante 3D. Le champ de création est pratiquement infini et ne connaitra comme limite que votre imagination.