Comment fonctionne une imprimante 3D ?

Depuis leur invention au milieu des années 80, les imprimantes n’ont cessé d’évoluer. De multiples technologies ont vu le jour. Pour comprendre le fonctionnement d’une imprimante 3D grand public, nous allons nous concentrer sur l’une des solutions les plus courantes, à savoir l’imprimante à dépôt de filament fondu cartésienne ou FDM (Fused Deposition Modelling).

Les différentes pièces qui composent une imprimante 3D

Le cadre

C’est un élément très important de l’imprimante, car il assure la rigidité de l’ensemble. Fabriqué en acier, tôle ou aluminium, il doit être capable d’absorber les contraintes imposées par les différents éléments de la machine. Ainsi, sa conception est essentielle pour ne pas limiter la précision et la vitesse d’impression.

La tête d’impression

Voilà le cœur de l’imprimante. En se déplaçant dans plusieurs directions, c’est elle qui va créer votre objet en 3D. Le filament plastique sous forme solide rentre par le haut, est chauffé et ressort sous forme liquide par le bas. Elle est composée :

d’un capteur de filament (optionnel)
d’un extrudeur qui permet de doser la quantité de matériau qui doit être fondue. À ce niveau, on trouve une roulette d’entraînement du filament et un moteur électrique pas à pas. Ce dernier définit la vitesse d’engagement de la fibre plastique pour en contrôler le débit.
un « hot end » qui effectue concrètement le travail d’impression. Celui-ci est réalisé par une buse qui dépose les couches de matière sur le plateau d’impression.

Le plateau d’impression

Il est souvent composé d’une base aluminium avec un chauffage contrôlé, et avec une surface d’impression amovible qui peut être en verre, métal ou fibre de verre. Cette surface peut donc être chauffée. Ce n’est pas obligatoire, mais cela permet une meilleure adhérence des premières couches en fonction des matériaux utilisés. Il existe la possibilité de régler la perpendicularité du plateau par rapport à la tête d’impression, même si ces dernières sont de plus en plus souvent équipées de capteurs de perpendicularité.

Les 3 axes d’une imprimante cartésienne

La localisation de la tête d’impression dans l’espace est définie par ses coordonnées le long de 3 axes XYZ :

L’axe X est celui de la largeur (mouvement droite-gauche). La tête d’impression coulisse horizontalement le plus souvent sur deux axes de guidage. Elle est entraînée par un moteur électrique et possède un capteur de position qui fixe le point 0 de l’axe.
L’axe Y est celui de la profondeur (mouvement avant-arrière). C’est souvent le plateau qui bouge sur deux axes grâce à un moteur électrique et un capteur de position qui détermine la position 0 de l’axe Y
L’axe Z est celui de la hauteur (mouvement haut-bas). Le déplacement se fait encore sur deux axes avec un système de courroies ou de vis sans fin couplées à un moteur électrique. Pour cet axe, le capteur de position peut être réglé manuellement pour définir le point 0. Ceci permet de définir la distance entre le plateau et la tête d’impression.

La carte électronique

C’est elle qui coordonne toutes les actions de l’imprimante, à savoir :

Lire et interpréter les instructions en langage informatique que l’on va lui donner ;
Calculer les trajectoires de la tête d’impression ;
Piloter les différents moteurs des axes ;
Allumer et éteindre les résistances pour contrôler la température au sein de la tête d’impression ;
Gérer un écran LCD ou une carte SD sur laquelle on a transféré les instructions d’impression.

Le bloc d’alimentation

Sans électricité, pas d’impression ! Il ressemble au bloc d’alimentation qui se trouve dans un ordinateur de bureau. C’est lui qui fournit toute l’énergie nécessaire pour faire fonctionner l’imprimante.

Les principaux types de filaments

Il existe plusieurs types de filaments dont certains sont réservés à des applications très techniques. Parmi les plus répandus, on trouve :

Le PLA (ou acide polylactique) : c’est l’un des matériaux les plus vendus par sa facilité d’utilisation et des prix abordables. Issu principalement de l’amidon du maïs, il est tout à fait compatible avec un contact alimentaire et possède une bonne biodégradabilité. On le trouve dans plusieurs couleurs et il est fréquemment trouvé dans des secteurs d’activité tels que l’industrie, le médical, mais aussi pour la décoration.
Le PET (ou polyéthylène téréphtalate)/PETG (polyéthylène téréphtalate modifié au glycol) : ces deux matériaux sont souvent utilisés avec une nette préférence pour le PETG. Le traitement avec le glycol lui procure des propriétés de solidité et de clarté plus prononcées qu’avec le PET. De plus, sa grande robustesse face aux produits chimiques, à l’humidité ou à l’abrasion en fait un matériau très complet. Si l’on ajoute à ceci un bon niveau de recyclabilité, c’est une très bonne fibre à mi-chemin entre le PLA et l’ABS.
L’ABS (ou Acrylonitrile Butadiène Styrène) : avec le PLA, c’est un filament très courant en impression 3D. Il est connu pour son faible poids et sa résistance aux chocs. Comme le PLA, on le retrouve dans beaucoup de domaines d’activité. La seule différence avec le PLA vient d’un phénomène de gauchissement ou warping (rétractation du thermoplastique en contact avec la surface d’impression), ce qui nécessite dans ce cas l’utilisation d’un plateau chauffant.

Le warping peut apparaître aussi entre les différentes couches, et nécessite donc une imprimante avec une chambre fermée pour éviter les courants d’air et offrir un refroidissement plus régulier de la pièce imprimée. L’ABS dégage des gaz toxiques en fondant, d’où le second intérêt d’avoir une chambre d’impression fermée pour contenir ces gaz et permettre d’aérer proprement le local une fois l’impression terminée.

Le fonctionnement d’une imprimante 3D : les différentes étapes

L’entrée du filament dans la tête d’impression

Que ce soit du PLA, du PETG ou de l’ABS, le principe est le même. Le filament, vendu en bobine, doit être aiguillé pour rentrer correctement dans la tête d’impression. De son côté, le capteur de filament avec sa roulette permet d’une part d’indiquer à la tête d’impression que le filament est présent, et d’autre part sert à canaliser l’introduction du matériau.

Le déplacement de la tête d’impression (et du plateau)

Le principe de l’impression 3D est de déposer des couches successives pour former un objet. Dans les imprimantes de type cartésienne, c’est donc la tête d’impression et le plateau qui vont se déplacer dans l’espace. Le plateau pilote les déplacements dans l’axe de la profondeur tandis que la tête d’impression gère les déplacements horizontaux et verticaux.

La carte électronique envoie les informations de positionnement (les coordonnées) pour chaque couche à imprimer et ce processus est répété jusqu’à l’achèvement de la pièce.

L’extrusion du filament

L’extrudeur est une pièce maîtresse de la tête d’impression puisque c’est lui qui gère la quantité de matière qui doit ressortir sous forme liquide. On trouve principalement deux types d’extrudeurs :

L’extrusion directe qui est intégrée à la tête d’impression et qui se déplace avec. Ceci entraîne une augmentation du poids de l’ensemble et impacte la vitesse d’impression, mais par contre la précision avec ce système est au rendez-vous.
L’extrusion de type Bowden qui est placé en dehors de la tête d’impression et peut être fixé sur le cadre. La tête d’impression étant moins lourde, elle est plus rapide dans ses mouvements, mais l’éloignement de l’extrudeur peut provoquer des blocages de filament plus facilement.

Une fois le filament passé dans l’extrudeur il traverse le « hot end » composé d’un bloc de chauffe qui fait fondre les matériaux. Celui-ci est précédé d’un dissipateur thermique et de ventilateurs garder le plastique froid jusqu’à la zone de fonte. La buse est le dernier étage, celui qui permet de déposer le filament fondu sur le plateau d’impression puis sur les couches successives.

D’autres types d’imprimantes 3D

Delta : dans cette configuration, la tête d’impression est sur trois paires de bras positionnés en triangle. Je vous en dis plus sur la page consacrée à la Monster Kossel !
Polaire ou SCARA : le plateau peut tourner sur lui-même et la buse peut translater dans une direction donnée. L’effet 3D est obtenu grâce à la tête d’impression qui peut se déplacer verticalement. Ou bien, la buse est montée sur une articulation permettant des mouvements circulaires au dessus d’un plateau fixe.
Core XY : Sur une imprimante Core XY la tête d’impression se déplace sur les axes X et Y, mais pas sur l’axe Z, le plateau descend par rapport à la tête d’impression pour passer à la couche d’après. Souvent couplée à un extrudeur Bowden, le passage des courroies de déplacement fait que les 2 moteurs de contrôle horizontal vont chacun faire évoluer la tête d’impression sur une diagonale. Ceci amène plus de rapidité dans les mouvements et donc, dans l’exécution des objets.
Sur tapis roulant : c’est l’imprimante idéale pour imprimer des pièces de petite taille, mais très longues, ou une série de plusieurs pièces à répétition sans intervention humaine.

Comme vous pouvez le constater, il existe de multiples technologies dans l’impression 3D. Les matériaux utilisés sont également nombreux et certains sont spécifiques, comme la résine par exemple. Je suis disposé à vous apporter des conseils sur la manipulation de cette dernière si vous le souhaitez. Pour cela et pour toutes vos autres questions sur le fonctionnement d’une imprimante 3D, le plus simple est encore de me contacter !