L’impression 3D par dépôt de matière fondue ou FDM, on vous explique tout !
L’impression 3D FDM, pour Fused Deposition Modeling ou dépôt de matière fondue, est un procédé de fabrication additive qui fait fondre puis extrude un filament thermoplastique couche par couche pour construire des objets 3D. C’est la technologie d’impression 3D la plus accessible et la plus répandue sur le marché actuel. Cette accessibilité alimente une forte croissance économique : le marché du FDM devrait passer de 3,26 milliards de dollars en 2026 à 8,37 milliards en 2031, avec un taux de croissance annuel composé de 20,74 %.
Scott Crump a inventé et breveté la technologie FDM en 1989, avant de la commercialiser en 1990 via son entreprise, Stratasys. Pendant des années, la protection de la marque a fait que seul Stratasys pouvait employer légalement le terme « FDM ». La donne a changé en 2005 avec la naissance du mouvement open source RepRap. Mené par Adrian Bowyer, le collectif a introduit le sigle FFF (Fused Filament Fabrication, ou fabrication par filament fondu) comme alternative libre de contraintes juridiques pour la communauté maker. En pratique, FDM et FFF désignent la même technologie d’extrusion de matière : la différence tient au nom commercial, pas au fonctionnement.
Comment fonctionne l’impression 3D FDM
L’impression FDM est considérée comme l’une des technologies d’impression 3D les plus élémentaires et les plus accessibles. Voici le détail du procédé :
- Alimentation en matière : Tout commence par une matière thermoplastique, généralement chargée dans l’imprimante sous forme de filament enroulé sur une bobine. Un extrudeur motorisé saisit le filament et l’entraîne vers le hotend selon l’une des deux configurations suivantes :
Direct drive : Le moteur de l’extrudeur est placé directement au-dessus de la tête d’impression et pousse le filament dans le hotend par un trajet court. Cette configuration offre un contrôle très précis du filament et constitue la référence pour imprimer des matériaux souples comme le TPU, même si le poids supplémentaire sur la tête peut provoquer des vibrations à très grande vitesse.
Bowden : Le moteur de l’extrudeur, plus lourd, est monté à l’écart sur le châssis rigide de l’imprimante et pousse le filament dans un long tube souple en PTFE jusqu’à la tête. Celle-ci devient donc très légère et rapide, mais les frottements internes compliquent la rétraction et rendent les filaments souples difficiles à imprimer.
- Fusion dans le hotend : Le filament entre dans la zone thermique de la tête d’impression, appelée hotend. Le plastique y est chauffé par résistance jusqu’à son point de fusion et passe à un état fondu maîtrisé.
- Extrusion et déplacement de précision : En suivant le fichier de conception numérique, le système de mouvement déplace la tête d’impression sur les axes X et Y. Au fil de ce déplacement, le plastique fondu est poussé à travers une buse étroite qui trace la géométrie de la première couche.
- Dépôt et adhésion des couches : La buse dépose le plastique sur un plateau d’impression spécifique. Les ventilateurs refroidissent la matière fraîchement extrudée pour accélérer sa solidification et favoriser l’adhésion avec la couche inférieure.
- Incrémentation de l’axe Z : Une fois la couche terminée, le système de mouvement se décale le long de l’axe Z (soit en abaissant le plateau, soit en remontant la tête) d’une fraction de millimètre. L’imprimante répète alors le processus d’extrusion et construit l’objet couche après couche jusqu’à son achèvement.
Si les imprimantes FDM classiques utilisent des bobines de filament, certains systèmes industriels leur substituent des granulés de plastique alimentés par une trémie. Que l’on parte d’une bobine ou de granulés, la mécanique reste la même : créer un objet en empilant du plastique fondu couche par couche.
Les types d’imprimantes 3D FDM
Pour bien comprendre le paysage actuel de l’impression 3D FDM, il est utile de classer les machines selon leur système de mouvement mécanique, autrement dit leur cinématique. La façon dont une imprimante coordonne sa tête d’impression et son plateau influence directement sa vitesse, son encombrement et sa précision globale. Voici les cinq principales configurations d’impression 3D FDM présentes sur le marché aujourd’hui :
1. Imprimantes cartésiennes et CoreXY
La grande majorité des systèmes FDM grand public et professionnels fonctionne sur des axes linéaires X, Y et Z, mais gère ce mouvement de deux manières distinctes :
- Cartésiennes traditionnelles (« bed slingers ») : Ces machines disposent de moteurs indépendants pour chaque axe. En général, la tête d’impression se déplace de gauche à droite (X) et de haut en bas (Z), tandis que le plateau entier avance et recule (Y). Popularisées par des marques comme Prusa, les versions d’entrée de gamme sont souvent vendues en kit, à assembler par l’utilisateur.
- Systèmes CoreXY : Dans une configuration CoreXY, le plateau ne se déplace que verticalement, le long de l’axe Z. Deux moteurs fixes travaillent de concert via un système de courroies pour déplacer la tête d’impression allégée en tout point du plan horizontal X-Y. La masse en mouvement s’en trouve réduite, ce qui permet d’atteindre des vitesses très élevées sans sacrifier la qualité. Des marques de machines livrées assemblées comme Bambu Lab s’appuient largement sur des variantes de cette architecture haute performance.
Une imprimante cartésienne de Prusa (à gauche) et une imprimante Core XY de Creality (à droite)
2. Imprimantes FDM delta
Les imprimantes delta se reconnaissent immédiatement à leur châssis haut et triangulaire. Elles possèdent un plateau circulaire entièrement fixe, tandis que la tête d’impression est suspendue à trois paires de bras verticaux motorisés. En coordonnant la hauteur de ces trois bras, la tête peut se déplacer dans l’espace tridimensionnel avec une grande rapidité et une grande agilité. Comme le plateau ne bouge pas, les imprimantes delta excellent sur les pièces hautes et verticales, sans risque d’osciller. En revanche, leur volume d’impression circulaire limite les pièces larges, et la complexité mathématique du firmware rend le calibrage manuel difficile pour les débutants.
Les imprimantes 3D delta sont aujourd’hui difficiles à trouver. Celle-ci est signée Delta Tower.
3. Imprimantes 3D FDM polaires
Au lieu de suivre une grille orthogonale, les imprimantes 3D polaires utilisent un système de coordonnées circulaire fondé sur un angle et une distance. Plutôt que de déplacer la tête d’impression sur un portique, c’est le plateau lui-même qui tourne et coulisse radialement sur un rail unique, l’extrudeur se déplaçant à la verticale. Du fait de leur géométrie, elles nécessitent en général moins de moteurs que les architectures cartésiennes, ce qui les rend très économes en espace pour produire des objets ronds ou en spirale (vases, cônes). Cela dit, les imprimantes polaires restent rares : leur résolution est mathématiquement plus faible sur le pourtour extérieur du plateau qu’en son centre, d’où une précision dimensionnelle inégale.
Polar3D commercialisait des imprimantes 3D polaires, mais il n’existe aujourd’hui aucune solution disponible dans le commerce, même si les imprimantes polaires subsistent sous forme de kits DIY et de projets personnels comme le « core-RΘ » de Joshua Bird. (Crédits photo : Polar3D)
4. Systèmes FDM à bras robotisé
Autrefois cantonnés aux lignes d’assemblage automobile, les bras robotisés multiaxes sont devenus une méthode d’impression 3D FDM industrielle très performante. Plutôt que d’être enfermée dans un châssis ou limitée à un petit plateau, une tête d’extrusion industrielle est montée directement sur un bras mécanique fortement articulé. N’étant pas contraints à un plan horizontal fixe, ces systèmes offrent une liberté de direction inégalée. Ils permettent d’imprimer des objets de grand format, comme de l’outillage aéronautique ou des structures architecturales entières, souvent à partir de granulés plastiques à haut débit plutôt que de filament traditionnel. À noter que ces machines sont volumineuses et représentent un investissement conséquent. De grands fabricants industriels comme KUKA et ABB s’associent fréquemment à des entreprises spécialisées dans l’extrusion (telles que Massive Dimension) pour déployer ces systèmes.
Crédits photo : Caracol
5. Imprimantes FDM de fabrication hybride
La fabrication hybride réunit fabrication additive (ajout de matière) et fabrication soustractive (retrait de matière) au sein d’une même machine. Généralement construite sur un châssis cartésien rigide ou un bras robotisé robuste, une machine hybride intègre un système de têtes interchangeables. Elle imprime d’abord la pièce en FDM de façon grossière, puis remplace l’extrudeur par une fraise CNC haute vitesse pour reprendre les arêtes et usiner les détails. Ces solutions affichent des prix élevés, mais elles réduisent nettement le temps de production des pièces industrielles qui exigent à la fois des structures internes complexes et des finitions lisses.
Cette solution de Snapmaker propose l’impression 3D à double extrusion, ainsi que des fonctions laser et CNC.
Évolutions avancées du FDM : impression multimatériaux et IDEX
À mesure que la technologie FDM gagne en maturité, les flux de travail actuels s’éloignent de l’impression à filament unique. Pour imprimer des géométries complexes ou des pièces multicolores, il existe deux grandes approches industrielles :
- IDEX (extrudeurs doubles indépendants) : Ces imprimantes disposent de deux têtes d’impression entièrement séparées sur le même portique. Pendant que l’une imprime l’objet principal, l’autre se met en attente pour éviter que le plastique ne s’écoule. Il devient ainsi possible d’imprimer un modèle en plastique standard tout en utilisant un matériau support soluble dans l’eau pour des géométries autrement impossibles. Les systèmes IDEX peuvent également travailler simultanément en mode « miroir » ou « duplication » pour doubler la cadence de production.
Un système IDEX de BCN3D
- Systèmes de changement de matériau (AMS/MMU) : Popularisés par des marques comme Bambu Lab et Prusa, ces systèmes acheminent plusieurs bobines de filament distinctes vers une seule tête d’impression. L’imprimante coupe, rétracte et purge automatiquement le filament pour changer de couleur en cours d’impression. Très automatisée, cette méthode génère toutefois davantage de pertes de matière lors de la purge qu’un système IDEX.
Aperçu du système de changement de matériau de Bambu Lab associé à la X2D.
Combien coûte une imprimante 3D FDM ?
Lorsqu’on établit un budget pour l’impression 3D FDM, le prix de la machine n’est qu’une première étape. Pour évaluer l’investissement réel, il faut considérer les différents niveaux de matériel ainsi que les dépenses récurrentes de consommables et de maintenance.
1. L’investissement matériel initial
Le coût de départ d’un équipement FDM varie sensiblement selon les objectifs :
- Entrée de gamme : de 250 à 500 dollars. Des machines performantes, parfaites pour débuter.
- Milieu de gamme / passionnés : environ 1 000 dollars. Vitesses d’impression supérieures, calibrage automatisé et conception fermée.
- Professionnel / industriel : de 2 000 à 4 000 dollars. Fiabilité maximale, volumes d’impression plus grands et compatibilité avec des matériaux de qualité technique.
2. Coûts récurrents de matériaux et d’accessoires
Posséder une imprimante suppose un approvisionnement régulier en consommables et en équipements de contrôle de l’environnement :
- Bobines de filament : le filament PLA standard (le matériau le plus utilisé en impression 3D FDM) coûte généralement entre 20 et 30 dollars par bobine de 1 kg.
- Sécheurs de filament : les plastiques d’impression 3D absorbant l’humidité de l’air, un sécheur dédié (de 40 à 200 dollars) est vivement recommandé pour éviter les défauts d’impression.
3. Coûts cachés et dépenses associées
Pour faire tourner une activité FDM sans accroc, il faut garder à l’esprit ces dépenses secondaires :
- Maintenance et usure du matériel : des composants comme les buses, les tubes PTFE et les têtes d’impression s’usent et devront être remplacés à terme, pour un coût limité.
- Pertes de matière : les impressions ratées, les structures de support et les purges de filament (lors des changements de couleur) font partie du processus et entraînent une perte de matière modérée dans la durée.
- Modèles 3D numériques : si un vaste écosystème de modèles 3D gratuits existe en ligne (via des plateformes comme Printables et Thingiverse), les créations premium spécialisées ou les licences commerciales peuvent exiger un achat direct ou un abonnement.
Les matériaux de l’impression 3D FDM
L’un des grands atouts de l’impression 3D FDM est sa compatibilité avec une très large gamme de thermoplastiques. Les matériaux d’impression 3D FDM se répartissent en trois catégories :
1. Les filaments standards
L’essentiel de l’impression quotidienne repose sur trois polymères fiables et économiques :
- PLA (acide polylactique) : un plastique biodégradable issu de l’amidon de maïs. C’est la référence absolue pour les débutants, grâce à sa facilité d’utilisation, ses faibles températures d’impression et sa déformation minimale.
- PETG (polyéthylène téréphtalate glycolisé) : il associe la facilité d’impression du PLA à la résistance aux chocs et aux agents chimiques des plastiques plus techniques.
- ABS (acrylonitrile butadiène styrène) : un plastique technique classique, reconnu pour sa résistance à la chaleur et sa durabilité, mais qui nécessite une imprimante fermée pour gérer les fumées toxiques et éviter les fissures.
Le PLA est l’un des matériaux les plus courants en impression 3D (Crédits photo : YOUSU PLA)
2. Matériaux avancés et composites
Pour des prototypes fonctionnels ou des usages spécifiques, les plastiques standards peuvent être mélangés ou modifiés chimiquement :
- Souples (TPU/TPE) : des filaments aux propriétés proches du caoutchouc, utilisés pour des joints, des coques de téléphone et des accessoires portés.
- Filaments composites : des plastiques standards chargés de particules microscopiques de fibre de carbone, de verre, de bois ou de métal. Ces composites modifient sensiblement le poids, la rigidité ou l’aspect de la pièce finale.
- Biocomposites originaux : pour des finitions esthétiques particulières, certains fabricants engagés produisent des filaments intégrant des déchets organiques comme du marc de café, des coproduits de brasserie ou des fibres de chanvre.
Le TPU est idéal pour fabriquer des objets souples (Crédits photo : JAYO)
3. Polymères hautes performances
Au niveau industriel, l’impression 3D FDM fait appel à des matériaux techniques spécialisés comme le PEEK, le PEI (Ultem) et le polycarbonate (PC). Ils exigent des buses à très haute température et des chambres chauffées, mais donnent des pièces capables de résister à des contraintes mécaniques extrêmes et à l’exposition chimique.
Les matériaux de qualité technique peuvent être utilisés pour des applications industrielles. (Crédits photo : BigRep)
Spécifications du filament : comprendre les diamètres
Lors de l’achat de matière pour un flux de travail FDM, les filaments sont vendus enroulés serrés sur des bobines et fabriqués en deux tailles :
- 1,75 mm : c’est le standard incontesté pour la grande majorité des imprimantes grand public, prosumer et CoreXY à très haute vitesse. Il offre une compatibilité étendue avec presque toutes les grandes marques.
- 2,85 mm : autrefois répandu, le filament de 2,85 mm se fait de plus en plus rare. Il est surtout maintenu par des systèmes industriels anciens, des universités et certains parcs de machines de générations précédentes (comme des équipements UltiMaker ou BigRep). La plupart des fabricants actuels ont abandonné ce diamètre au profit de systèmes 1,75 mm à haut débit ou de l’extrusion directe de granulés.
Questions fréquentes sur l’impression 3D FDM
Qu’est-ce que l’impression 3D FDM et comment fonctionne-t-elle ?
Le FDM (Fused Deposition Modeling), également appelé FFF (Fused Filament Fabrication), est un procédé d’extrusion de matière qui construit des objets en trois dimensions en faisant fondre un filament thermoplastique et en le déposant couche par couche à travers une buse chauffée. Un extrudeur motorisé achemine le filament vers le hotend, où il fond avant d’être extrudé avec précision sur un plateau d’impression. Une fois chaque couche solidifiée, l’axe Z s’incrémente et le processus se répète jusqu’à l’achèvement de l’objet.
Quels sont les principaux types d’imprimantes 3D FDM ?
Les imprimantes 3D FDM se classent selon leur système de mouvement (cinématique). Les cinq configurations principales sont : les imprimantes cartésiennes/CoreXY (les plus courantes, avec des axes linéaires indépendants), les imprimantes delta (châssis triangulaire haut, plateau circulaire fixe), les imprimantes polaires (plateau rotatif sur un système de coordonnées radial), les systèmes à bras robotisé (machines industrielles multiaxes pour la production de grand format) et les imprimantes de fabrication hybride (qui combinent extrusion FDM et usinage CNC dans une seule machine).
Quels matériaux peut-on utiliser en impression 3D FDM ?
L’impression 3D FDM est compatible avec une large gamme de thermoplastiques. Les trois filaments les plus courants sont le PLA (facile à imprimer, biodégradable), le PETG (résistant aux chocs et chimiquement durable) et l’ABS (résistant à la chaleur, nécessitant une imprimante fermée). Au-delà, le FDM prend en charge les filaments souples comme le TPU, les composites chargés en fibre de carbone ou en particules métalliques, ainsi que les polymères techniques hautes performances comme le PEEK, le PEI (Ultem) et le polycarbonate pour les applications industrielles.
Quelle est la différence entre les configurations d’extrudeur direct drive et Bowden ?
Dans une configuration direct drive, le moteur de l’extrudeur est monté directement sur la tête d’impression, ce qui permet un contrôle précis du filament et une impression fiable des matériaux souples comme le TPU, avec peu de filaments parasites. Dans une configuration Bowden, le moteur est fixé au châssis de l’imprimante et pousse le filament dans un long tube PTFE jusqu’à une tête allégée, ce qui autorise des vitesses d’impression plus élevées grâce à la réduction de la masse en mouvement. En revanche, les configurations Bowden introduisent du jeu sur le trajet du filament, ce qui rend les matériaux souples nettement plus difficiles à imprimer de façon fiable.
Combien coûte une imprimante 3D FDM ?
Les prix des imprimantes 3D FDM se répartissent en trois grands niveaux. Les machines d’entrée de gamme adaptées aux débutants vont de 250 à 500 dollars. Les imprimantes de milieu de gamme pour passionnés, dotées d’un calibrage automatisé et d’une conception fermée, coûtent environ 1 000 dollars. Les systèmes professionnels et industriels, avec des volumes d’impression plus grands et une compatibilité avec les matériaux de qualité technique, se situent entre 2 000 et 4 000 dollars. Au-delà de la machine, les coûts récurrents comprennent les bobines de filament (de 20 à 30 dollars le kilo pour du PLA standard), les sécheurs de filament (de 40 à 200 dollars) et le remplacement périodique des pièces d’usure comme les buses et les tubes PTFE.
Quel diamètre de filament utiliser en impression 3D FDM ?
La grande majorité des imprimantes FDM actuelles utilisent du filament de 1,75 mm, devenu le standard du secteur pour les systèmes grand public, prosumer et CoreXY à haute vitesse en raison de sa large compatibilité. L’alternative, le filament de 2,85 mm, est un diamètre hérité encore employé par certaines plateformes industrielles anciennes, comme quelques machines UltiMaker et BigRep, mais il se raréfie à mesure que les fabricants basculent vers le 1,75 mm ou vers les systèmes d’extrusion directe de granulés.
Comment se lancer dans l’impression 3D FDM
Étape 1 : Choisir l’imprimante FDM adaptée à vos besoins
Sélectionnez une imprimante en fonction de votre budget et de votre usage. Les machines cartésiennes d’entrée de gamme (de 250 à 500 dollars) conviennent parfaitement aux débutants. Les systèmes CoreXY de milieu de gamme, autour de 1 000 dollars, offrent des vitesses supérieures et un calibrage automatisé. Les systèmes professionnels fermés (de 2 000 à 4 000 dollars) sont adaptés aux matériaux de qualité technique et aux volumes d’impression plus grands.
Étape 2 : Sélectionner le matériau adapté
Choisissez votre filament selon les exigences de votre pièce. Le PLA est le meilleur point de départ pour les débutants, grâce à ses faibles températures d’impression et à sa déformation minimale. Le PETG apporte une résistance aux chocs et aux agents chimiques pour les pièces fonctionnelles. L’ABS convient aux applications exigeant une résistance à la chaleur, mais nécessite une imprimante fermée. Pour les pièces souples, utilisez du TPU. Pour les applications industrielles hautes performances, envisagez le PEEK, le PEI ou le polycarbonate.
Étape 3 : Sécher le filament avant l’impression
Les filaments thermoplastiques absorbent l’humidité de l’air avec le temps, ce qui provoque des défauts d’impression comme des bulles, des filaments parasites et une mauvaise adhésion entre les couches. Avant d’imprimer, placez votre bobine dans un sécheur de filament dédié pour éliminer l’humidité absorbée et garantir une extrusion régulière.
Étape 4 : Charger le filament et configurer l’extrudeur
Faites passer le filament dans l’extrudeur jusqu’au hotend et ajustez les réglages de rétraction afin d’éviter les écoulements.
Étape 5 : Définir le diamètre de buse et la hauteur de couche
Le diamètre de buse standard est de 0,4 mm, ce qui autorise des hauteurs de couche comprises entre 0,1 mm et 0,3 mm. Les faibles hauteurs de couche (de 0,1 à 0,15 mm) produisent un détail de surface plus fin. Les hauteurs plus élevées (de 0,2 à 0,3 mm) impriment plus vite, mais avec moins de résolution. Évitez de dépasser la plage de hauteur de couche recommandée pour votre buse, afin de prévenir l’effet d’escalier et une mauvaise adhésion entre couches.
La qualité de l’impression FDM dépend fréquemment de deux facteurs : le diamètre de la buse et la hauteur de couche. Un diamètre de buse plus important permet des couches individuelles plus épaisses. Une hauteur de couche excessive peut toutefois entraîner une perte de détail et produire des défauts d’escalier.
Étape 6 : Préparer et trancher votre modèle 3D
Récupérez ou concevez un modèle 3D, puis importez-le dans votre logiciel de tranchage. Le trancheur convertit le modèle en instructions G-code que l’imprimante suit couche par couche. Configurez les paramètres d’impression : hauteur de couche, densité de remplissage, structures de support et vitesse de ventilation. Des modèles gratuits sont disponibles sur des plateformes comme Printables et Thingiverse, ou vous pouvez créer les vôtres avec un logiciel de CAO.
Étape 7 : Lancer l’impression et surveiller la première couche
La première couche est l’étape la plus critique de toute impression FDM. La buse trace la géométrie de la base tout en déposant du plastique fondu sur le plateau. Assurez-vous que la buse est correctement calibrée par rapport à la hauteur du plateau, afin que la première couche adhère fermement, sans sur- ni sous-extrusion. Les ventilateurs se déclenchent après la première couche pour accélérer la solidification et favoriser l’adhésion entre les couches suivantes.
Étape 8 : Retirer la pièce du plateau et effectuer le post-traitement nécessaire
Le post-traitement peut comprendre le retrait des supports, le ponçage, le lissage à la vapeur, la peinture, etc. : tout ce que vous souhaitez faire pour finaliser votre pièce !
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gros copié collé aucun mérite
http://cerig.pagora.grenoble-inp.fr/memoire/2015/impression-3d.htm
Bonsoir Romain,
Notre article date d’août 2013. L’article mentionné date de mai 2014 apparement. Il faudrait voir qui a plagié qui.
Bonne semaine,
L’équipe 3Dnatives
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