Pour bien utiliser une imprimante 3D, il est préférable de comprendre comment elle fonctionne
Vous allez vous servir d’une imprimante 3D (la votre, celle d’un proche ou encore dans un FabLab). Même si les machines ont fait d’énormes progrès en terme d’utilisation ces dernières années et que vous pourriez presque vous en servir simplement en cliquant sur un bouton, il est intéressant de comprendre comment elles fonctionnent.
Pour au moins 2 bonnes raisons :
1 – Vous serez plus à l’aise pour paramétrer les réglages d’impression dans le « slicer » si vous comprenez comment la machine fonctionne, en particulier le lien entre vos choix et ce qui se passe pendant l’impression
2 – En cas de problème (si si, cela arrive un jour ou l’autre, même à la plus récente et intelligente des machines), vous saurez plus facilement diagnostiquer le problème et le résoudre. Voir même réparer votre imprimante par vous-même. Car c’est probablement le point faible de l’impression 3D actuellement : à part avec des machines professionnelles très couteuses, trouver comment faire réparer son imprimante est parfois un casse-tête.
1 – Le principe de base de l’impression FDM (grand public)
Il existe de nombreuses technologies d’impression 3D. Dans cet article, nous allons uniquement expliquer le fonctionnement des imprimantes grand public (FDM ou Dépôt de filament fondu).
Le principe est de tracer ligne par ligne, puis couche par couche un objet à base de fil de plastique fondu. En règle générale le fil fait 0,4 mm de large par 0,2 mm de haut. Le tracé est défini par le slicer qui décompose la pièce à imprimer en couches. De nombreuses matières sont imprimables de cette manière : le plastique évidement, mais également la céramique, le béton. Il est même possible d’imprimer du chocolat !
2 – Les principaux organes d’une imprimante 3D
Ils sont nombreux et tous importants à leur manière :
Le châssis : c’est la structure qui assure la rigidité de la machine, donc sa précision. Il supporte aussi les rails linéaires qui permettent les mouvements dans les 3 dimensions. Selon le modèle de machine (et surtout de son prix) les mouvements peuvent être assurés par des galets en plastique roulant sur des profilés aluminium, ou alors des éléments de précision à base de rails en acier et de mouvements à billes.
Le plateau : c’est la plaque sur laquelle la matière fondue est déposée. Il en existe dans de nombreuses matières (métal, plastique, verre) et de différentes textures. Il est équipé d’une résistance chauffante et d’un capteur de température qui permettent de le maintenir à une température constante (généralement entre 50 et 100 degré) et est monté sur 4 ressorts avec des vis de réglage qui permettent de le régler de manière parfaitement horizontale. Ses principales qualités attendues : être parfaitement plat, avoir un bon état de surface et une température constante pour garantir une bonne adhésion de la pièce et la qualité d’impression.
La tête d’impression (ou hot-end) : élément clé de la machine, c’est le « stylo à tracer » du plastique fondu. Elle se déplace dans les 3 dimensions (X, Y, Z) sur des rails grâce à des moteurs « pas à pas » et trace les lignes en fondant la matière pour la rendre « pâteuse » et la déposer plus facilement.
Le filament chemine de haut en bas le long d’un tube en PTFE (qui résiste à la chaleur très élevée dans la tête), passe à travers d’un radiateur refroidi par un ventilateur, afin de le garder froid et rigide le plus longtemps possible. Après le radiateur, le filament arrive dans le bloc de chauffe qui comporte une résistance électrique et un capteur de température (thermistance) afin le maintenir à une température constante. Le filament est alors fondu et passe à travers la buse (l’équivalent de la pointe d’un stylo) pour être tracée et donc imprimée sur le plateau.
La tête d’impression est donc un composant complexe qui doit se déplacer avec précision, tout en gérant une température élevée à un endroit très précis, et en évitant que cette chaleur ne se propage ailleurs et endommage la machine. Vous voyez le « challenge » ?
L’extrudeur : c’est l’élément qui « pousse » le filament dans la tête d’impression, et force donc le plastique fondu à sortir de la buse pour tracer la pièce. Il est constitué de roues crantées entraînées par un moteur qui font avancer le filament. L’extrudeur peut être monté directement sur la tête d’impression (direct drive) ou alors en amont de la tête d’impression (bowden). Dans ce cas, un tube en PTFE achemine le filament entre l’extrudeur et la tête d’impression
Afin de garantir le bon débit de filament de manière parfaitement synchronisée avec les déplacement de la tête d’impression, l’extrudeur doit pousser la juste quantité de matière, sans patiner, alors que à l’autre extrimité le plastique fondu résiste en passant à travers de la buse. Pour rappel, le filament fait 1,75 ou 2.85 mm de diamètre et doit passer à travers le trou de la buse qui fait habituellement 0,4 mm de diamètre. Il faut donc pousser très fort !
Les moteurs » pas à pas » : ce sont eux qui assurent les mouvements dans les 3 dimensions à l’aide de courroies crantées (pour les axes X et Y) et de vis sans fin (pour l’axe Z), mais également le fonctionnement de l’extrudeur. Ce sont des moteurs très précis, capable de fournir des efforts importants et de manière répétée.
La carte mère : comme pour un ordinateur, c’est le cerveau de la machine. Elle lit le programme Gcode qui lui indique les instructions de travail pour imprimer l’objet en 3D choisi, et pilote de manière synchronisée : les mouvements de moteurs pour déplacer la tête d’impression, le moteur d’extrudeur pour pousser la quantité exacte de matière, la température de la buse et du plateau, les ventilateurs et l’affichage sur un écran. Le firmware chargé sur la carte mère est spécifique à chaque machine et assure la coordination de toutes ces fonctions.
Le capteur de nivellement (BL touch, CR touch, capteur sans contact capacitif ou inductif, …) : contrairement à ce que fait penser sa forme, ce n’est pas une seringue. C’est un appareil de mesure qui remplit deux fonctions :
1 – mesurer précisément la distance entre le plateau et la buse, afin de régler l’écart entre les deux, et déposer la quantité précise de plastique. Ceci est très important pour garantir la qualité de l’impression
2 – palper la forme du plateau qui n’est jamais parfaitement plat (bed levelling) et permettre à la machine d’apprendre les éventuels défauts de forme afin de les compenser lors de l’impression. Ceci permet de simplifier les réglages et de garantir des impressions de meilleures qualité.
Enfin quelques éléments supplémentaires :
Un bloc d’alimentation à découplage qui transforme le courant alternatif de votre prise en courant continu de 12v ou 24v, dont à besoin la machine pour fonctionner. En effet même pour les petites machines, la puissance nécessaire pour alimenter les moteurs et les éléments chauffants est importante (entre 350 et 600 Watts) soit la puissance d’un petit appareil à raclette !
Un écran pour piloter la machine, un lecteur de carte SD ou USB pour recevoir le fichier à imprimer, pour certaines machines une enceinte fermée pour maintenir la température ambiante à un niveau minimum
3 – La recette d’une machine qui fonctionne bien
Sans surprise, une imprimante 3D qui marche bien est une imprimante bien réglée et bien entretenue :
– Une tête d’impression qui se déplace précisément, sans jeu ni point de blocage : vérifier le jeu des chariots coulissants dans les 3 directions (réglable en X et en Y pour la plupart des machines) et la bonne tension des courroies crantées de transmission. Une machine avec du jeu ou des courroies détendues, c’est une tête d’impression qui bouge et trace de manière floue !
– Un extrudeur bien réglé (tension des roues crantées) et bien calibré. Un extrudeur qui patine ou ne pousse pas la bonne quantité de matière, c’est une pièce mal remplie.
– Une résistance chauffante et un capteur de température en bon état pour la tête d’impression. Une tête qui ne chauffe pas à température constante, c’est un filament qui fond de manière irrégulière et qui trace de manière aléatoire.
– Un plateau propre et sec, dégraissé et bien horizontal (grâce au 4 molettes de réglages situé en dessous et la fonction nivellement automatique). Un plateau gras ou sale, c’est un filament qui ne colle pas. Un plateau mal nivelé, c’est une buse qui n’imprime pas une première couche d’épaisseur constante. Et si la première couche n’est pas parfaite, l’impression sera de mauvaise qualité.
– Un « Z offset » bien réglé (à ne pas confondre avec le nivellement du plateau) : il s’agit de la distance précise entre la buse et le plateau. Trop bas : la première couche est trop fine, mais surtout le filament fondu n’a pas assez d’espace pour passer, il n’avance pas assez et comme l’extrudeur pousse fort malgré tout, le plastique fondu passe par ou il peut. Cela crée des bouchages et le fameux claquement caractéristique de l’extrudeur. Trop haut, et le filament « tombe » sur la plateau et ne colle pas dessus.
Avec ces quelques conseils, et maintenant que vous comprenez mieux comment fonctionne votre imprimante, vous mettez toutes les chances de votre coté pour de belles impressions.
Si malgré tout, vous rencontrez des problèmes (cela arrive même aux meilleurs), lisez notre article sur les 10 conseils pour réussir son impression à tous les coups.
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