Comment fonctionne une imprimante 3D ?

L’impression 3D connaît un grand succès depuis quelques années. De plus en plus de personnes possèdent une imprimante 3D. Comment ça marche ?

Qu’est ce que l’impression 3D ?

Il s’agit d’un procédé de fabrication comme il en existe une multitude. La plupart des techniques de fabrication historiques (fraisage, perçage, sciage, meulage…) consiste à enlever de la matière d’un matériau brut afin d’obtenir un objet. Avec le développement de la plasturgie au cours du 20ème siècle, de nouvelles techniques par ajout de matière se sont développées comme l’injection plastique ou l’extrusion.

L’impression 3D est un procédé de fabrication additive permettant d’obtenir une pièce en ajoutant de la matière couche par couche.

Comment préparer une impression 3D ?

Avant de pouvoir imprimer un objet en 3D, il faut :

  • Créer ou télécharger un modèle 3D (.STL) puis
  • Générer et fournir à l’imprimante un fichier d’impression (.GCODE).

Le modèle 3D

C’est un fichier numérique (.STL) réalisé avec un modeleur volumique (Sketchup, Solidworks, Autocad, Fusion 360, Blender) ou téléchargé sur Internet (Cults, Thingiverse, YouMagine, Instructables…). Simplement dit : c’est le dessin 3D de votre objet.

Le slicer

C’est un logiciel de découpe ou de stratification 3D. Le slicer découpe votre objet en une multitude de couches qui seront imprimées les unes après les autres. Les principaux logiciels d’impression 3D sont : Slic3r, Cura, Simplify3D, Repetier… Il permet de préparer le fichier d’impression (.GCODE) qui sera lu par votre imprimante 3D. Le G-code est un langage de programmation indiquant à une machine toutes les actions et tous les déplacements nécessaires à la fabrication d’une pièce. C’est un peu le GPS de votre imprimante avec tout l’itinéraire et les actions à faire.

Les différentes techniques d’impression 3D

Il existe de nombreux types d’imprimantes 3D utilisant des technologies très variées. Certaines imprimantes 3D biologiques sont même capables de fabriquer des os ou du cartilage et pourront peut-être à l’avenir imprimer des organes vivants.

Pour le moment, les principaux procédés d’impression 3D sont les suivants :

  • Dépôt de matière fondue (Filament)
  • Polymérisation lumineuse (Résine)
  • Frittage ou fusion (Poudre)

L’imprimante 3D à filament (Dépôt de matière fondue)

Souvent appelée FDM (Fused Deposition Modeling) et parfois FFF (Fused Filament Fabrication), c’est la technique d’impression 3D la plus répandue chez le grand public. Les imprimantes FDM ne coûtent pas très cher (à partir de 200€) et utilisent des filaments plastiques.

Les filaments sont disponibles : 

  • en plusieurs matières (ABS, PLA, PETG, Nylon, TPU flexible…), 
  • en différents diamètres1,75mm et Ø 2,85mm),
  • et en de très nombreuses couleurs.

Il y a même des filaments à base de poudres de bois, de café, de coquillages ou de métal mélangées à du PLA. Ils donnent une texture réaliste aux objets imprimés.

Une imprimante 3D FDM fonctionne avec :

  • un châssis qui assure le maintien de toutes les pièces de l’imprimante.
  • un plateau sur lequel est imprimé l’objet. Ce plateau peut être chauffé à une température tiède pour les modèles haut de gamme. Cela améliore l’adhésion de la pièce sur le plateau tout au long de l’impression. Le plateau se déplace sur l’axe Y.
  • une tête d’impression qui se déplace sur les axes X et Z,
  • une bobine de filament,
  • 3 moteurs permettant les déplacements en 3 dimensions (X, Y et Z),
  • une carte électronique capable de piloter les moteurs, le plateau chauffant et la tête d’impression,
  • et une carte SD ou une clé USB contenant le fichier d’impression (.GCODE)

La tête d’impression FDM fonctionne grâce à :

  • un moteur extrudeur permettant l’extrusion du filament
  • une résistance chauffante capable de faire fondre le filament
  • un ventilateur qui régule la température de la tête d’impression
  • et une buse déposant la matière fondue avec précision.

L’imprimante 3D résine (Polymérisation lumineuse)

Souvent appelée imprimante résine, elle commence à se répandre. Ces imprimantes sont un peu plus coûteuses que les celles à filament et la résine employée est également un peu plus cher que les bobines de filaments. La précision d’impression est cependant bien meilleure.

Imprimante 3D Résine (SLA)

Une imprimante 3D résine fonctionne à l’aide :

  • d’un châssis qui assure le maintien de toutes les pièces de l’imprimante,
  • d’un plateau sur lequel est imprimé l’objet à l’envers en se déplaçant sur l’axe Z,
  • d’un réservoir de résine,
  • d’un écran d’impression UV (ultraviolet),
  • d’une carte électronique capable de piloter le moteur de l’axe Z ainsi que la projection lumineuse d’ultraviolets,
  • et d’une carte SD ou une clé USB contenant le fichier d’impression (.GCODE).

Les résines employées par cette technique sont photosensibles. Le plastique à l’état liquide polymérise sous l’effet d’un laser ultraviolet ou de rayons lumineux ultraviolets et se solidifie. Les résines sont disponibles en différentes versions :

  • classique
  • flexible
  • haute résistance mécanique
  • haute température

SLA, DLP ou LCD ?

Il existe 3 manières de polymériser la résine donc 3 types d’imprimantes résines. Il y a celles qui utilisent :

  • un laser UV (SLA : StereoLithography Apparatus)
  • une lampe de projection UV (DLP : Digital Light Processing)
  • un écran lumineux UV (LCD : Liquid Crystal Display)

L’imprimante 3D à poudre (Frittage ou Fusion)

Les imprimantes 3D à poudre aussi appelées SLS (Selective Laser Sintering) ou SLM (Selective Laser Melting) sont beaucoup utilisées dans les industries aéronautique, spatiale et automobile. Au lieu d’un filament ou d’une résine liquide, ces imprimantes utilisent des matériaux sous forme de poudre. Elles sont très onéreuses (plusieurs milliers d’euros) mais offrent des pièces précises et très résistantes sur le plan mécanique.

Les poudres employées peuvent être :

  • métalliques (purs ou alliages),
  • thermoplastiques (PA11, Nylon, TPU flexible…),
  • ou céramiques (oxyde d’aluminium, silice…)

Une imprimante 3D à poudre fonctionne avec :

  • un laser qui fait fondre la poudre
  • une lentille de réflexion qui oriente le laser afin de tracer chaque couche de l’objet,
  • un bac d’impression rempli de poudre dans lequel est imprimé l’objet,
  • un rouleau d’alimentation fournissant le bac d’impression en poudre,
  • des réservoirs munis de pistons fournissant couche après couche de la poudre,
  • un châssis qui assure le maintien de toutes les pièces de l’imprimante,
  • une carte électronique capable de piloter le laser, le rouleau d’alimentation ainsi que les pistons,
  • et une carte SD ou une clé USB contenant le fichier d’impression (.GCODE).

SLS (Selective Laser Sintering) signifie : frittage sélectif par laser. Cette technique utilise un laser pour fritter une poudre. Les grains de poudre sont “collés” grâce à l’énergie dégagée par le laser. La surface des objets imprimée par frittage est rugueuse ou légèrement granuleuse.

SLM (Selective Laser Melting) signifie fusion sélective par laser : Cette technique utilise également un laser pour fusionner une poudre. Les grains fusionnent grâce à l’énergie dégagée par le laser pour donner une forme plus liée et plus précise. La surface des objets imprimée par fusion est plus lisse.

En résumé :

  • L’impression 3D est un procédé de fabrication additive permettant d’obtenir une pièce en ajoutant de la matière couche par couche.
  • Pour imprimer un objet en 3D, il faut d’abord créer ou télécharger un modèle 3D (.STL) puis générer et fournir à l’imprimante un fichier d’impression (.GCODE).
  • Il existe de nombreux procédés d’impression 3D.
  • Le dépôt de matière fondue (FDM) est une technique d’impression 3D utilisant un filament thermoplastique.
  • La polymérisation lumineuse (SLA, DLP ou LCD) est une technique d’impression 3D utilisant une résine photosensible.
  • Le Frittage (SLS) ou la fusion (SLM) est une technique d’impression 3D utilisant des poudres thermoplastiques, métalliques ou céramiques.

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