Imprimante 3D : comment le filament est-il déposé ?

Il existe différents types d'imprimantes 3D, mais il est aisé de constater que les plus répandues sont les imprimantes FDM, pour Fused Deposition Modeling. Pour créer ses modèles, l'imprimante dépose des couches successives de matériau fondu. Mais comment ces couches sont-elles réalisées ?

Le filament

Les imprimantes FDM utilisent comme consommable du filament. Celui-ci peut être de différentes matières, les plus connues étant le PLA et l'ABS. Je ne le répéterai jamais assez, j'adore le fait que le PLA soit d'origine végétale (amidon de maïs) et biodégradable. Mais il existe bien d'autres matières, comme le PETG, le polycarbonate ou le nylon, mais aussi des matériaux composites un peu plus exotiques contenant et imitant le bois, le métal... On trouve le plus souvent ces filaments sous la forme de bobines d'un kilo, avec un diamètre de 1,75mm, ce qui représente environ 400 mètres de filament.

La bobine de filament est disposée sur un dévidoir, à proximité ou sur l'imprimante elle-même.

Différents rouleaux de filament.

L'extrudeur

Le filament est mû par le moteur de l'extrudeur. Il s'agit d'un moteur pas à pas qui va, en fonction des informations fournies dans le GCODE et interprétées par la carte-mère, tourner plus ou moins vite pour fournir plus ou moins de matériau. L'axe du moteur accueille une roue dentée qui, lorsqu'elle tourne, accroche le filament et le pousse vers l'extrudeur. Ce moteur peut se trouver accroché au chariot, tout près de l'extrudeur lui-même, ou fixé sur le châssis de l'imprimante. En sortie de moteur, le filament est poussé dans un tube guide en PTFE jusqu'à l'extrudeur. Cela permet d'avoir un chariot plus léger et donc moins sujet aux vibrations (ces vibrations pouvant se traduire par des vaguelettes à la surface du modèle imprimé). On parle alors d'un montage "Bowden".

Le moteur d'extrudeur, ici en montage Bowden. On voit le filament qui arrive par le dessous et envoyé dans le tube guide par la roue dentée. Imprimante JG Aurora A5.

Le filament arrive ensuite dans l'extrudeur lui-même. Partie extrêmement importante de l'imprimante, il se compose des éléments suivants :

• un guide en téflon : résistant aux hautes températures, il va guider le filament jusqu'à la buse tout en l'empêchant de chauffer. En effet, il est important, à ce stade, que le filament conserve sa forme solide, sous peine de tout boucher.
• une résistance chauffante : c'est elle qui donne la température. Pilotée par la carte-mère qui tire toujours ses informations du GCODE, elle est également équipée d'une sonde de température qui renseigne la carte-mère sur son état. En fonction de la température mesurée, la carte-mère va augmenter la chauffe ou au contraire couper le courant pour laisser la résistance refroidir.
• la buse : le plus souvent en laiton, on en trouve aussi en acier inoxydable ou en acier trempé, ces dernières étant utilisées pour des matériaux abrasifs type fibre de carbone. La buse abrite un petit réservoir qui va accueillir le filament fondu. Sous l'impulsion du moteur d'extrudeur, le filament arrive plus rapidement et la pression augmente dans ce réservoir, le débit est alors plus important. La buse se termine par un orifice de faible diamètre, le plus souvent de 0,4mm, mais des variantes sont fréquentes. Le diamètre de sortie est l'un des paramètres qui jouent sur la qualité d'impression.

La buse et le corps de chauffe. En rouge, le câble de la résistance, en blanc celui de la sonde de température. Le tube en acier en arrière-plan renferme le guide isolant en téflon.

La ventilation

Elle ne fait pas partie de l'extrudeur à proprement parler, mais il est important cependant de la mentionner. Cette ventilation se compose de une à trois hélices, pour les montages les plus courants. Le premier ventilateur est situé sur le corps de l'extrudeur, au niveau du tube guide en téflon, et sert à empêcher cette partie de chauffer. Afin d'aider à ce refroidissement, le corps de l'extrudeur peut être muni d'ailettes afin d'augmenter la surface en contact avec l'air ambiant et donc améliorer le refroidissement.

L'extrudeur et son refroidissement : on distingue les ailettes, le ventilateur et le conduit de ventilation en sortie de buse. Imprimante Anycubic I3 Mega.

Nous avons ensuite un bloc de refroidissement en sortie de buse. Composé d'une ou deux hélices (voire trois pour les montages extrêmes), il envoie un flux d'air en sortie de buse afin de refroidir le matériau et lui faire prendre sa forme définitive. Cependant attention, tous les matériaux n'ont pas besoin de ce second bloc de refroidissement. Pour le PLA, par exemple, c'est une obligation, dans la mesure où le matériau fond à une température relativement basse, et refroidit de lui-même assez lentement, il reste donc malléable assez longtemps et risque de s'affaisser. À l'inverse, l'ABS ne doit surtout pas être refroidi, car il se rétracte avec les chocs thermiques, ce qui provoque des déformations (warping). On laissera donc la ventilation coupée lorsqu'on travaille avec de l'ABS.

Le conduit de ventilation (en violet) dirige le flux d'air directement à la sortie de la buse afin de refroidir le filament. Imprimante Anet A8.

Et ensuite ?

Le GCODE va indiquer à la carte-mère comment l'extrudeur doit se déplacer afin de constituer les différentes couches. Lorsqu'une couche se termine, le(s) moteur(s) de l'axe Z tourne(ent) afin de monter le chariot de la valeur de la hauteur de couche définie dans le trancheur, et l'ensemble repart pour un cycle afin de réaliser la couche suivante, et ainsi de suite.

L'imprimante Anet E10 en action.

Voilà qui termine ce chapitre !

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Photos et vidéo personnelles.

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