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I. Introduction au FDM :

Le FDM est le procédé d’obtention que tout le monde connait, le plus utilisé et médiatisé. Comment ne pas parler d’impression 3D sans évoquer ce procédé ? Vous l’avez tous compris c’est bel et bien ce procédé qui utilise un fil plastique (plus généralement en PLA ou ABS) qui, entrainé dans une buse chauffée va se liquéfier. En sortie de buse, au contact de la température ambiante, le fil fondu va se refroidir et se solidifier.

schéma d'une imprimante FDM

Vous l’avez donc tous reconnu. Le procédé FDM est utilisé par les RepRap et autres machines abordables qu’on trouve aujourd’hui à moins de 200€ parfois. Si celles-ci sont utilisables par presque n’importe qui, il existe aussi dans la même famille de procédé, des équipements à plus de 400 000€. Ces équipements sont destinés à usage professionnel bien évidemment.

Bobine de filament plastique pour le procédé FDM

II. Matière première :

Avant de détailler de manière plus complète le fonctionnement de ces équipements, partons de la base : la matière première ! Pour ce procédé, c’est du plastique majoritairement. En effet, majoritairement, car il existe des fils plastiques avec des particules de différentes natures. Ces filaments sont assimilables à des matières composites cependant, elles gardent les caractéristiques des matières plastiques classiques utilisés en impression 3D avec plus ou moins de modifications.

Enfin, le nombre de matériaux imprimable est conséquent allant des matériaux fonctionnalisés (magnétiques, conducteurs, etc) aux plastiques plus résistants (filaments chargés).

III. Fonctionnement du FDM :

Une fois que nous avons la matière, il nous manque bien évidemment l’équipement. Et concernant le procédé FDM il en existe pour toutes les applications et pour tous les budgets. Nous allons essayer ensemble d’y voir plus clair. Si toutes les machines de la plus chère à la plus abordable ont grosso-modo le même fonctionnement, bon nombre de différences techniques entrent en compte et expliquent ces variations de prix allant de plusieurs centaines d’euros à plusieurs centaines de milliers.

a. Architecture mécanique

Premièrement l’architecture mécanique de la machine et bien sûr sa taille, qui impactera directement le volume de fabrication. Vous trouverez ainsi des équipements permettant d’imprimer des pièces dans un cube max de 20cm de côté jusqu’à des machines offrant des impressions pouvant remplir un cube de 1m de côté. Alors comment faire votre choix ? Simplement en imaginant les pièces que vous allez imprimer.

Size matters

Gardez tout de même à l’esprit que plus une imprimante est grande plus elle coûtera cher. De même plus la qualité sera dégradée.

Concernant le fonctionnement il existe deux grandes familles, les imprimantes dites polaires et les cartésiennes.

1. Imprimantes FDM polaires ou delta :

Les imprimantes polaires ou parfois appelées delta sont composées d’un châssis avec généralement 3 bras articulés au bout desquels se trouve la buse d’impression. Les mouvements des bras impliquent le mouvement de la buse le long du plateau de fabrication suivant les axes x, y et z (le plateau lui est donc souvent totalement fixe). Ces imprimantes delta sont utilisées en grand public pour des petits volumes d’impression. Leurs utilisations à des fins industrielles n’a pas encore été vraiment développée.

Imprimante 3D FDM delta
Buse d’impression d’une imprimante polaire ou delta

2. Imprimantes FDM cartésiennes :

Les imprimantes cartésiennes elles, sont énormément répandues grâce à leurs facilités de construction et de programmation. Parmi ces imprimantes, il existe ici encore différents types de fonctionnement. Si toutes sont composées de 3 axes de translation (x, y et z), c’est le partage de ces axes entre la buse et le plateau qui diffère. La plupart des imprimantes grand public ont une tête d’impression (ou buse) mobile suivant les axes x et z et le plateau mobile suivant l’axe y. Il existe une autre variante assez répandue ou la buse est mobile suivant x et y et c’est ici le plateau qui est mobile sur l’axe vertical z.

Imprimante 3D FDM cartésienne
Imprimante 3D cartésienne avec la tête mouvante sur les axes y et z et le plateau sur l’axe x
Imprimante 3D FDM cartésienne
Imprimante 3D cartésienne avec la tête mouvante sur les axes x, y et le plateau suivant z

b. Tête d’impression FDM

Concernant la buse d’impression, cette dernière est de conception relativement simple. En effet, elle est composée d’un corps de chauffe en aluminium très souvent. Dans ce corp de chauffe, le fil est inséré. Ce dernier est solide et en pénétrant dans le corps chauffé, il se liquéfie. Il vient ensuite sortir du bout de la buse pour se déposer sur ce qu’il y a en dessous (la plateforme de fabrication, du support de fabrication, de la pièce ou parfois du vide). L’entrée du corps de chauffe est souvent du diamètre du fil (1,75mm ou 3mm sur les modèles les plus répandus). La sortie elle est du diamètre de la buse qui dépend de beaucoup de choses. Cependant une majorité d’utilisateurs possèdent une buse de 0,4mm.

Concernant l’entraînement du fil, ce dernier est soit directement en amont (système dit « direct drive ») de la buse soit déporté sur la base fixe de l’imprimante (« système dit bowden »). L’avantage du bowden est d’alléger la tête pouvant donc accepter des vitesses plus rapides. En revanche toutes les matières ne sont pas imprimables de cette manière (par exemple les matières flexibles sont à proscrire). Deplus, l’éloignement entre le corps de chauffe et le système d’entraînement apporte quelques problèmes d’extrusion non constante sur certains modèles dus au fluage du plastique entre ces deux points.

A noter une petite précision importante. Il existe certains équipements avec deux buses d’impression (deux entrées, deux sorties). Certains encore avec une double buse (deux entrées une sortie). Ces différents systèmes permettant des impressions de pièces bicolores ou bien des impressions de pièces en matière différentes. Par exemple une pièce en PLA et des supports en matière soluble (dans l’eau ou l’acétone souvent). Ceci permet de nuancer un des principaux inconvénients du process FDM : les supports !

IV. Après la fabrication :

Après la fabrication, les pièces obtenues sont assez précises avec un état de surface moyen. Les supports doivent être retirés un à un souvent à la main. Même si ces derniers sont conçus pour être aisément retirable, cela reste tout de même une opération manuelle. Une fois ces supports retirés, il faut aussi poncer la surface en contact puisque les zones d’accroches entre les supports et la pièce sont dégradées.

Il existe aussi des traitement de ponçage et d’amélioration des états de surface à l’aide de bain ou de vapeur d’acétone pour certains matériaux. Ce même procédé permet aussi de dissoudre si nécessaire les supports quand ils sont imprimés avec un matériau soluble. Dans certains cas, des opérations de métallisation sont possible.

V. Conclusion :

Les imprimantes avec le procédé FDM sont donc relativement simples à construire ce qui explique leurs faibles coûts. L’accessibilité en fait donc le principal avantage tant en termes de prix que d’utilisation. L’énorme retour d’expérience sur ce procédé permet d’avoir des équipements industriels fiable et une communauté gigantesque d’entraide pour les équipements plus amateurs.

La double extrusion annihile (quand elle est utilisée) le défaut de la génération de supports. Enfin le principal défaut de ce procédé FDM réside dans l’état de surface des pièces et la nécessité d’ajouter des étapes de post traitement sur bon nombre de pièces avant de pouvoir les utiliser.

cubes de calibration d'imprimantes FDM
Impressions de cubes de calibration

En espérant que ce petit topo vous ait aidé et que vous avez appris des choses !

Si vous souhaitez retrouver quelques business cases concernant ce procédé en voici quelques-uns :

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Une réflexion sur “Le FDM (Fused Deposition Modeling)

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