Image de présentation de l'impression 3D FDM
Le dépôt de fil fondu est un procédé de fabrication additive qui permet de créer des modèles physiques 3D à partir de conceptions CAO. Les filaments de matériau sont acheminés à travers une buse chauffée qui fait fondre le filament extrudé et dépose des couches successives sur la plateforme de construction de l'imprimante.
La technologie FDM est la méthode d'impression 3D la plus largement acceptée, non seulement pour les amateurs et le prototypage de concepts, mais elle est également devenue une méthode de fabrication importante pour tester des prototypes, des outils, des modèles pédagogiques, des bijoux et d'autres applications.
Cet article abordera les principes fondamentaux de l'impression 3D FDM, son principe de fonctionnement, les matériaux compatibles et ses applications industrielles.
Commençons!
Points clés à retenir
- En impression 3D FDM, un filament thermoplastique est fondu puis extrudé à travers une buse chauffée. Les couches successives déposées se lient entre elles pour former la pièce finale.
- Les imprimantes 3D de bureau sont bien adaptées aux prototypes en phase initiale et aux itérations de conception rapides, tandis que les imprimantes FDM industrielles sont meilleures pour les pièces plus grandes, les prototypes fonctionnels, l'outillage et les productions en petites séries.
- La hauteur de couche, la température de la buse/du plateau, la vitesse d'impression, le refroidissement, l'angle de trame, le matériau et l'orientation de construction sont des facteurs essentiels à prendre en compte pour le processus d'impression 3D FDM.
- Choisissez la technologie FDM pour les prototypes rapides, les modèles fonctionnels, l'outillage, les dispositifs de fixation, les boîtiers, les supports et les composants personnalisés en petites séries.
- La stéréolithographie (SLA) et le frittage sélectif par laser (SLS) sont deux alternatives à la fabrication additive par dépôt de fil fondu (FDM). La SLA est plus adaptée aux petites pièces, aux parois fines, aux détails précis et aux applications nécessitant une finition plus lisse, tandis que la SLS est utilisée pour les pièces fonctionnelles complexes sans support.
Principes fondamentaux de l'impression 3D FDM
Principes fondamentaux de l'impression 3D FDM
L'impression 3D FDM consiste à imprimer les modèles de pièces et produits mécaniques couche par couche, selon un schéma de découpe prédéfini sur l'imprimante 3D. Elle permet de réaliser des géométries complexes et détaillées, telles que des courbes élégantes, des canaux de fluide, des angles profonds, des structures ondulées, des joints imbriqués et des contre-dépouilles. Sa principale limitation réside dans la taille de la buse, généralement de 0.4 mm ou plus. Par conséquent, la dimension de la pièce doit être supérieure à celle de la buse.
La technologie FDM permet d'imprimer plusieurs thermoplastiques, notamment le PLA, l'ABS, le PA, le TPU, le PEEK et le PEI. Selon le matériau, la vitesse d'alimentation, la buse, la hauteur de couche, l'intensité du refroidissement et d'autres paramètres doivent être adaptés. La taille d'impression dépend quant à elle des capacités de l'imprimante 3D. Contrairement aux imprimantes de bureau, une imprimante FDM industrielle offre un volume d'impression de 1 x 1 x 1 m.
Comment fonctionne l'impression FDM ? Mécanisme et étapes
Fonctionnement de l'imprimante 3D FDM
La FDM, également appelée fabrication par dépôt de filament fondu (FFF), repose sur le principe de fabrication additive par extrusion de matière. Un élément chauffant fait fondre le filament thermoplastique continu, tandis qu'une buse dépose des couches successives. La forme finale est obtenue par la formation de liaisons entre les couches.
Décomposons le processus d'impression 3D FDM.
Préparation et découpage du modèle CAO
La première étape du processus FDM consiste à préparer un modèle d'ingénierie 3D (fichier .STL ou .3MF) de la pièce/du produit souhaité dans un logiciel de conception tel que SolidWorks, CATIA et AutoCAD.
L'étape suivante consiste à découper le dessin, au cours de laquelle le modèle est découpé (divisé) en milliers de fines tranches horizontales (couches), afin d'obtenir des codes G précis pour le mouvement de la buse, le contrôle de la température et le taux d'extrusion.
Configuration des paramètres d'impression pour une imprimante 3D FDM
Vous devez définir différents paramètres d'impression 3D FDM, notamment la température de la buse, la température du plateau, la hauteur de couche, la vitesse de dépôt (impression), la vitesse du ventilateur de refroidissement et l'orientation de construction, comme résumé ci-dessous.
| Paramètre | Plage typique | Facteurs qui influencent |
| Hauteur de couche | 0.05 à 0.5 mm | La hauteur de couche a un impact considérable sur la précision dimensionnelle |
| Température de la buse | PLA ~190–220 °C, ABS ~220–260 °C | Cela dépend du matériau, de l'angle de trame, du type de pièce et d'autres facteurs. |
| Température du lit | Utilisé comme facteur de contrôle | Cela dépend du matériau, de l'épaisseur et de la réaction du procédé. |
| Angle raster | 0°-90° | Il définit la direction de dépôt des couches (mouvement de la buse) par rapport à l'axe X du plateau d'impression. |
Alimentation par filaments
Le mécanisme d'entraînement par rouleaux alimente en continu le système de chauffage du liquéfacteur (tête d'extrusion reliée à la buse). Simultanément, la buse est également chauffée à une température spécifiée.
Le filament est introduit dans le liquéfacteur.
Utilisant un mécanisme de liquéfaction, il fait fondre les filaments solides en une forme visqueuse, semi-liquide ou liquide grâce à une cartouche électrique.
Dépôt de couches à travers une buse
Impression 3D FDM
L'engrenage de l'extrudeuse pousse en continu les filaments solides, tandis que la pression d'extrusion, générée par le filament, force le filament fondu à travers la buse, déposant ainsi la couche sur le plateau d'impression. La buse est fixée de manière permanente à la tête d'impression, qui se déplace le long des axes X, Y et Z (conformément aux instructions du G-code) et dépose la couche avec précision.
Chaque couche est liée moléculairement par la chaleur et la pression. Chaque interdiffusion moléculaire constitue la liaison porteuse.
Solidification et enlèvement de pièces
Une fois l'objet imprimé refroidi à température ambiante, il est retiré de la plateforme. Selon sa taille, ce retrait peut être effectué manuellement ou à l'aide d'un bras robotisé. Les supports sont également détachés à cette étape. Les pièces imprimées nécessitent ensuite un ébarbage et une finition.
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Matériaux d'impression 3D FDM
Matériaux d'impression 3D FDM
L'acide polylactique (PLA), le polyéthylène téréphtalate glycol (PETG) et l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) sont les matériaux d'impression 3D FDM les plus courants. Le PEI, le PEEK, le PC et d'autres thermoplastiques sont également utilisés. Vous pouvez choisir des filaments de ces matériaux dans la couleur et la taille souhaitées.
Le choix du matériau dépend principalement de l'application prévue, des exigences fonctionnelles, des conditions d'utilisation, de la finition souhaitée et de la compatibilité avec l'imprimante 3D. Le PLA offre résistance et rigidité, et convient aux prototypes visuels. L'ABS est performant pour les pièces extérieures, les pièces automobiles, les boîtiers et les prototypes fonctionnels. Par conséquent, le PETG est une bonne alternative à l'ABS pour les imprimantes de bureau.
| Source | Principaux avantages | Limites |
| Acide polylactique (PLA) | Faible déformation, impression 3D facile, prix relativement abordable et détails de surface. | Stabilité thermique et résistance aux chocs inférieures. |
| Polyéthylène téréphtalate glycol (PETG) | Plastique résistant, flexible et résistant à l'humidité. | Sa stabilité thermique est inférieure à celle du polycarbonate, de l'ABS et de quelques autres thermoplastiques. |
| Acrylonitrile Butadiène Styrène (ABS) | Des grades biocompatibles (par exemple, ABS-M30i) sont disponibles, plus résistants que le PLA et présentent une bonne résistance thermique. | Émet de fortes fumées lors de l'impression et présente un risque de déformation. |
| Polyétherimide (PEI / ULTEM) | Excellente résistance thermique, haute résistance mécanique et résistance chimique | Température de transition vitreuse plus élevée et matières premières coûteuses |
| Polyéther éther cétone (PEEK) | Qualités biocompatibles et haute résistance mécanique. | Température de traitement élevée |
| Polycarbonate (PC): | Résistance aux chocs, stabilité dimensionnelle, clarté optique et isolation électrique. | Hygroscopique, sujet à la déformation et à une température de buse élevée |
| Nylon | Résistance mécanique, ténacité et résistance chimique. | Hygroscopique et nécessite un séchage contrôlé. |
| Polyuréthane thermoplastique (TPU) | Résistance chimique, faible coefficient de frottement et résistance à l'abrasion. | Une faible vitesse d'impression et un contrôle strict des températures de traitement sont nécessaires. |
| Polymères renforcés | Excellent rapport rigidité/poids, faible risque de déformation par rapport aux filaments non chargés. | Nécessite des buses traitées thermiquement et présente un risque de formation de micro-vides. |
Considérations clés pour l'impression 3D FDM
Le choix de l'imprimante 3D, l'épaisseur minimale des parois, les dimensions des détails, le post-traitement, la déformation des matériaux et la sélection des matériaux sont des éléments essentiels à prendre en compte dans le processus d'impression 3D FDM afin de garantir la précision, la solidité et la qualité de fabrication.
Imprimantes 3D de bureau vs imprimantes 3D industrielles
Les imprimantes 3D de bureau offrent généralement une surface d'impression de seulement 0.2 x 0.2 x 0.2 m, adaptée aux maquettes et aux prototypes initiaux. En revanche, les imprimantes 3D industrielles sont recommandées pour l'impression de prototypes de test, les petites séries et les composants techniques fonctionnels.
Optimisation de la conception pour le gauchissement
Optimisez votre conception pour réduire la déformation en diminuant les angles vifs, en maintenant une épaisseur de paroi uniforme et en appliquant des sections de décharge de contrainte.
Choisissez soigneusement le matériau
Lors du choix du matériau pour vos pièces imprimées en 3D, tenez compte des fonctionnalités requises, de l'environnement d'utilisation, de la facilité d'impression et du coût.
Épaisseur minimale de la paroi
L'épaisseur minimale des parois en impression 3D FDM doit être de 2 à 3 fois le diamètre de la buse.
Envisagez la finition de surface
Avant de choisir la technique de finition, il convient d'identifier le niveau de rugosité de la surface et les exigences esthétiques. Le polissage à la vapeur, le ponçage à l'eau et le revêtement époxy sont quelques options courantes.
Taille de la fonction
La taille de l'élément géométrique de votre conception doit être supérieure aux limites de résolution effectives du processus.
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Quand choisir une imprimante 3D industrielle FDM plutôt qu'une imprimante 3D de bureau ?
Les imprimantes 3D de bureau sont destinées aux projets de loisirs, aux maquettes visuelles de petite taille et aux prototypes. En revanche, les imprimantes 3D industrielles FDM offrent des volumes d'impression plus importants (environ 1 x 1 x 1 m), une précision et une répétabilité accrues, la possibilité d'imprimer des formes complexes et une large compatibilité avec différents matériaux.
Choisissez les imprimantes 3D industrielles FDM pour :
- Modèles fonctionnels
- Pièces d'outillage
- Prototypes rapides
- Production en petites séries de composants personnalisés
Choisissez une imprimante 3D de bureau pour :
Si vous êtes aux premières étapes du développement d'un prototype et que vous souhaitez valider des fonctionnalités spécifiques, une imprimante de bureau permet des cycles d'itération rapides.
Quelles sont les options de finition de surface pour les prototypes imprimés en 3D par FDM ?
Les objets imprimés en 3D par dépôt de fil fondu (FDM) étant formés par l'ajout de couches successives de matériau, les lignes de couches et la rugosité de surface sont visibles. Plusieurs techniques de finition permettent de remédier à ce problème, telles que le sablage, le polissage à la vapeur, la peinture et le revêtement.
- Polissage à la vapeur : Un flux de vapeur fait fondre le matériau de surface, formant une couche mince, uniforme et brillante.
- Sablage: Des granules de sable sont projetés sur les pièces imprimées en 3D, éliminant les imperfections de surface et produisant une surface uniforme.
- Peinture: Des peintures adhésives compatibles peuvent être appliquées pour la protection contre les UV, à des fins esthétiques et pour d'autres usages.
- Revêtement époxy : Elle offre une surface lisse, durable et résistante pour les prototypes imprimés en 3D.
Quelles sont les applications de la FDM ? Impression 3D ?
Prototypage avec FDM
Les pièces et prototypes imprimés en 3D par FDM sont utilisés dans de nombreux secteurs, tels que l'automobile, le médical, l'électronique grand public, l'outillage et la robotique. La technologie FDM est une solution efficace et économique pour les entreprises et les développeurs de produits qui souhaitent réaliser rapidement des prototypes pour tester l'ajustement, le fonctionnement et l'assemblage. Elle peut également servir à la validation de concept et à la création de maquettes.
Examinons quelques exemples d'applications de l'impression 3D FDM dans différents secteurs d'activité.
- Automobile: Prototypes de conduits d'air, de garnitures intérieures, de tableau de bord et de gabarits d'assemblage.
- Outillage: Tests de prototypes pour gabarits d'assemblage, dispositifs de maintien de pièces, moules composites et mors souples.
- Médical: Prototypes de prothèses, modèles anatomiques et boîtiers pour équipements.
- Électronique grand public: Boîtiers sur mesure, gabarits d'assemblage et supports de montage.
- Robotique: Gabarits, dispositifs de fixation, outils de préhension (EOAT) et supports de capteurs.
Quels sont les avantages de l'impression 3D FDM ?
- Faibles coûts d'installation pour les imprimantes 3D FDM.
- Tolérance dimensionnelle précise, aussi faible que ±0.25 mm
- Il permet de réaliser rapidement des prototypes pour les conceptions d'ingénierie.
- Exigences minimales en matière d'outillage ; pas besoin d'outils de coupe ni de moules.
- Délais de livraison plus courts, jusqu'à 1 jour.
- Compatibilité avec plusieurs plastiques techniques
- Haute personnalisation.
- Production de fonctionnalités complexes, légères et internes
Quels sont les inconvénients de l'impression 3D FDM ?
- Des lignes de couches visibles en surface, et souvent, les prototypes nécessitent des opérations de post-traitement.
- La résistance de la pièce imprimée et la complexité réalisable sont influencées par le matériau d'impression 3D.
- L'impression de géométries complexes nécessite une structure de support, ce qui augmente le temps de post-traitement et la consommation de matières premières.
- Les tolérances dimensionnelles ne sont pas aussi élevées qu'avec l'usinage CNC et le moulage par injection.
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FDM vs SLA vs SLS Impression 3D : Quelles sont les différences?
SLA et SLS sont deux choses différentes type d'impression 3D, outre le FDM. La stéréolithographie (SLA) utilise une lumière UV ou un faisceau laser pour le durcissement sélectif de la couche de résine, tandis que le frittage laser sélectif (SLS) fritte sélectivement la poudre de polymère couche par couche pour construire la forme conçue.
Comparons ces méthodes d'impression 3D en termes de matériaux compatibles, de complexité, de précision, de délai de livraison et de coût.
| Paramètre | FDM | Contrat de niveau de service | SLS |
| Matériel Requis | PLA, ABS, PETG, PC, Nylon, TPU, PEI, PEEK et polymères renforcés. | Diverses résines thermodurcissables liquides photosensibles | Thermoplastiques en poudre, notamment PA11, PA12, TPU et PP. |
| Complexité | Complexité modérée, nécessite une structure de support pour les fonctionnalités internes et complexes. | Idéal pour les éléments de petite taille et les sections à parois minces | Excellent. La poudre non frittée elle-même supporte la structure d'impression. |
| Prix | Inférieur aux normes SLA et SLS | Modérée | Haute |
| La précision | ±0.2 à ±0.5 mm | ~±0.025 à ±0.1 mm | ~±0.1 à ±0.3 mm |
| Heure | Délais rapides | La vitesse d'impression dépend de l'architecture de l'imprimante, de la hauteur des pièces, de la disposition des lots et du processus. | Élevée, lors de la production de prototypes ou d'un lot |
| Quand choisir ? | Privilégiez les prototypes à faible coût, à itération rapide et aux petites séries. | Choisissez ce mode de paiement lorsque des finitions soignées, des détails précis et une grande complexité sont requis. | Pour les composants et prototypes mécaniques fonctionnels, les pièces en nylon et les prototypes complexes non supportés. |
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Références
[1] « Principes de base de la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) », Porte de recherche. ResearchGate – Principes de base de la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM)