L’impression 3D par dépôt de matière fondue, on vous explique tout !

On continue notre dossier consacré aux différentes techniques d’impression 3D. Après le Frittage Sélectif par Laser, on s’attaque aujourd’hui à la principale technologie derrière les imprimantes 3D de bureau, à savoir l’impression par dépôt de matière fondue.

La technologie, plus connue sous son nom anglais de FDM pour Fused Deposition Modeling (mais aussi FFF pour Fused Filament Fabrication), a été développée par S. Scott Crump à la fin des années 80 et commercialisée en 1990 par Stratasys (USA), entreprise dont il est le fondateur. Une autre année importante à retenir pour cette technologie est 2005, date à laquelle le professeur Adrian Browyer initiait le projet RepRap, mouvement mondial à l’origine des imprimantes 3D auto-réplicantes et open-sources du même nom.

Fonctionnement de l’impression 3D par dépôt de matière fondue

Cette technique est souvent considérée comme la méthode existante la plus basique. Le FDM repose sur 3 éléments principaux : un plateau d’impression sur lequel est imprimé la pièce, une bobine de filament qui sert de matériau d’impression et une tête d’extrusion également appelé extrudeur. Pour résumer, le filament est entrainé et fondu par l’extrudeur de l’imprimante 3D, celui-ci dépose le matériau de manière précise couche par couche sur le plateau.

Zoom sur l’extrudeur d’une imprimante 3D Replicator 2 de chez Makerbot

Qui dit « impression 3D » dit « modèle 3D »: tout commence par la conception de l’objet à partir d’un logiciel de CAO (comme SolidWorks, TinkerCAD ou Blender par exemple). Le fichier 3D obtenu, le plus souvent au format .STL, est découpé en plusieurs couches via un logiciel dénommé « slicer » (comme Makerware, Cura ou Repetier) dans lequel il est possible de sélectionner les divers paramètres de l’impression. Une fois configurée, l’impression est alors lancée.

L’impression 3D démarre par la mise à température de la machine (autour de 200°C), nécessaire pour la fusion de la matière. Parmi les matériaux d’impression 3D populaires en dépôt de matière fondue, on retrouve notamment le PLA (acide polyactique) et l’ABS (Acrylonitrile butadiène styrène).

Une fois la machine chauffée, un filament de matière de 1,75mm ou 2,85mm de diamètre, est alors extrudé sur la plateforme à travers une buse se déplaçant sur 3 axes, x, y et z. La plateforme descend d’un niveau à chaque nouvelle couche appliquée, jusqu’à impression de l’objet.

Lors de l’impression, des supports peuvent être utilisées à la manière d’un échafaudage. Ils viennent supporter les parties en porte-à-faux du modèle 3D, les plus susceptibles de s’écrouler. Ces supports peuvent être dans le même matériau que l’objet imprimé ou bien dans un matériau soluble dans l’eau ou le limonène par exemple. Bien que plus compliquées à piloter, certaines imprimantes 3D sont équipées de plusieurs extrudeurs afin de combiner plusieurs coloris ou matériaux (comme des matériaux supports notamment).

Le plateau d’impression d’une Zortrax M200. On observe la présence de supports d’impression sur une statuette du célèbre justicier.

Matériaux compatibles avec les imprimantes 3D FDM

L’impression 3D dépôt de matière fondue est compatible avec un large choix de polymères thermoplastiques : PLA et ABS, mais aussi Polycarbonate, PET, PS, ASA, PVA, Nylon, ULTEM et de nombreux filaments composites à base de métal, de pierre, de bois, ou offrant des propriétés mécaniques intéressantes comme la conductivité, la bio-compatibilité, la résistance aux températures ou aux conditions extérieures par exemple. En remplaçant l’extrudeur de l’imprimante 3D par un système de seringue, il est également possible de créer des pièces à partir de céramique, d’argile ou de matières alimentaires (comme du sirop ou du chocolat). Pour donner une idée du prix des consommables pour imprimantes 3D, une bobine de 1kg de filament PLA est de l’ordre de 35€.

De nouveaux projets ont également vu le jour avec la volonté de proposer des pièces polychromes combinant des milliers de couleurs. La Da Vinci Color du fabricant XYZprinting, la RoVa4D de ORD Solutions ou le module Palette+ de Mosaic Manufacturing permettent de combiner ou colorer des filaments afin d’obtenir toute la gamme de couleur CMYK (Cyan, Magenta, Jaune et Noir), soit plus de 10 millions de combinaisons de coloris disponibles. Ces initiatives restent toutefois assez nouvelles.

La bobine de filament à l’arrière d’une imprimante 3D Ultimaker 2+

Prix, performances et spécificités de l’impression 3D FDM

En dépôt de fil, les imprimantes 3D disponibles sur le marché oscillent entre 300€ pour les premiers modèles à assembler soi-même (de type RepRap), 2500€ pour les modèles de moyenne gamme et près de 10,000€ pour les machines FDM professionnelles. Parmi les acteurs influents, on retrouve son fabricant historique Stratasys, mais aussi des marques issues du mouvement RepRap comme MakerBot (racheté par Stratasys en 2013), Ultimaker ou Prusa. Retrouvez à cette occasion de nombreux modèles au sein du comparateur 3Dnatives.

Bien que certaines imprimantes 3D offrent sur le papier une épaisseur de couche d’impression aussi fine que 50 microns, le rendu des pièces avant post-traitement reste toutefois toujours moins bon en comparaison à d’autres technologies comme la stéréolithographie ou le frittage de poudre. Concernant le volume maximal de fabrication, les imprimantes 3D permettent en général d’atteindre un volume compris entre 12x12x12 cm jusqu’à 30x30x30 cm pour les plus volumineuses. Des imprimantes 3D FDM XXL, dépassant le mètre cube, ont toutefois vu le jour comme la BigRep One ou la 3DP WorkBench de l’américain 3DPlatform.

On retrouve également différentes catégories d’imprimantes 3D FDM en fonction du mécanisme employé. Les imprimantes 3D cartésiennes utilisent comme leur nom l’indique des coordonnées sur les 3 plans (X,Y et Z) tandis que les modèles polaires utilisent des coordonnées polaires (un angle et une longueur). On retrouve également les imprimantes 3D Delta, caractérisées par une structure verticale, un plateau d’impression rond et un extrudeur fixé à trois bras. Plus récemment, des bras robotisées offrant plusieurs axes de rotation sont également apparus sur le marché des imprimantes 3D à dépôt de filament.

En FDM, il est assez classique d’observer les différentes couches d’impression comme sur ce modèle par 3D Benchy

Son coût, sa prise en main ou encore sa rapidité d’exécution font du dépôt de matière fondue une technique utilisée dans de nombreux domaines : l’aérospatial, l’automobile, l’architecture, le médical, la décoration, l’art et la cuisine, principalement pour des applications de type prototypage rapide ou validation de maquettes visuelles et/ou pièces fonctionnelles. Avec son large catalogue de thermoplastiques, l’extrusion de filament peut aussi être utilisée pour la production de petites séries.

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