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Comment fonctionnent les imprimantes à filament (FDM) et les imprimantes résine (SLA / DLP) ou les imprimantes à poudre ? Quelles sont leurs avantages ? On voit ça ensemble.
Tout d’abord, je ne vais me concentrer dans cet article principalement qu’aux imprimantes « grand public », c’est à dire celle que vous pouvez vous procurer, et vous donner quelques conseils si vous souhaitez vous lancer dans l’impression 3D.
Il existe bien sur des imprimantes industrielles, bien plus précises, plus grandes et plus rapides, et j’en aborderai quelques exemples en fin d’article, afin de vous montrer les choses dingues qu’une imprimante peut réaliser. Mais cet article est plutôt destiné aux néophytes, aux curieux quand à cette nouvelle méthode de création, qui, pour certain, est véritablement devenu un art.
Mais avant d’aborder les technologies utilisées pour imprimer, les matériaux, intéressons nous un peu sur la technique employée pour utiliser ces technologies.
Vous avez dessiné votre pièce avec votre logiciel de modélisation 3D favoris, et vous n’avez plus qu’à l’imprimer.
Comment convertir votre pièce pour la rendre lisible par votre imprimante 3D, quelle qu’elle soit ?
Bienvenue dans le monde merveilleux de la stéréolithographie.
La Stéréolithographie
Lorsque vous imprimez une pièce en 3D, quelque soit la méthode, vous commencer à partir de sa représentation en 3D, modélisée sur ordinateur.
Qu’il s’agisse d’une pièce que vous avez vous même dessinée, ou bien d’un modèle que vous vous êtes procuré sur internet, la technique qui consiste convertir une pièce numérique en fichier imprimable s’appelle la Stéréolithographie.
Ce n’est pas une technique récente.
On utilise la stéréolithographie dans des domaines très vastes. Elle peut être utilisée dans tous les domaines où on va concrétiser une pièce imaginée et dessinée sur un support numérique en une pièce physique.
Aujourd’hui, tout est conçu et dessiné sur support numérique. Votre chaise, écran, ordinateur, téléphone, vos meubles, et même votre maison, tout, vraiment tout, est à présent conçu numériquement.
Dès lors que ces objet sont concrétisés en modèles réels, on fait appel à la stéréolithographie.
Elle est dans l’industrie majoritairement utilisée pour le prototypage. Ainsi, on peut créer des prototypes avec des matériaux moins onéreux et apporter un plus vraiment significatif en R&D, en affaire, et nous concernant, dans le domaine des loisirs.
Les exemples ne manquent pas. Imaginez un architecte qui conçoit un nouveau bâtiment. Imprimer une réplique du bâtiment en 3D lui donnera la possibilité d’identifier plus efficacement les zones à fortes contraintes, ou affiner son design. Et quoi de mieux que de présenter ses travaux aux clients, directement en les montrant sur la table ?
Le développement industriel de cette technique date des années 80, et nous viens du pays de l’Oncle Sam.
En même temps, la Stéréolithographie est intimement liée à l’informatique, il apparait donc logique qu’elle ait suivi ses avancées.
Mais ça ne répond pas à la question que j’ai posé plus haut: Comment convertir votre pièce pour la rendre lisible par votre imprimante 3D, quelle qu’elle soit ?
Imaginons que vous avez modélisé une pièce en 3D. Vous l’avez ensuite convertie dans un format compatible pour la stéréolithographie, au format .stl par exemple ( .stl – STéréoLithographie).
On va devoir faire appel à un logiciel intermédiaire, qui va convertir votre objet 3D en un format que l’imprimante va pouvoir comprendre.
Ce logiciel intermédiaire porte le doux nom générique de Slicer.
Le Slicer
Et pour comprendre ce terme « slicer », il faut s’intéresser à la méthode employée par une imprimante 3D pour imprimer une pièce en 3D:
En fait, une imprimante 3D fonctionne sur le même principe qu’une imprimante classique.
L’imprimante classique fait défiler une feuille sur laquelle elle dépose de la couleur ou du noir.
De la même manière, une imprimante 3D va imprimer par couche.
Toutefois, au lieu de s’arrêter à une couche, elle va en imprimer une seconde sur la première, puis une troisième, et ainsi de suite, jusqu’à ce que la superposition de ces couches donne la pièce que vous avez modélisé en 3D.
Il va donc falloir un « slicer » pour transformer votre objet en 3D en une multitudes de couches superposées, qui seront imprimées par votre imprimante 3D.
C’est de là que vient le terme « Slicer » qui en français se traduirait par « découpeur », car ce logiciel découpe littéralement votre objet 3D en une multitude de couches 2D.
L’imprimante saura alors imprimer chacune des couches, les unes à la suite des autres. Il suffit de lui dire à quel endroit la couche devra être imprimée sur le plateau, et bingo: l’imprimante 3D s’occupe du reste.
En théorie, ça parait simple, mais en pratique, c’est autrement plus complexe.
Car en effet, quand vous imprimez un PDF, vous ne vous souciez pas de ces paramètres:
- Température de la buse d’impression
- Endroit où elle va devoir déposer l’encre
- Nature de la couleur qui sera déposée sur la feuille
- Vitesse à laquelle l’impression va se faire sur la feuille
- Quantité d’encre à déposer à chaque projection.
Or, ces paramètres, sur une imprimante 3D, il peut être est nécessaire d’en tenir compte !
FDM, SLA, DLP, SLS, quésaco ?
Dans le monde de l’impression 3D, on entend souvent parler de FDM ou de SLA. Ce sont deux termes qui définissent deux méthodes d’impression différentes.
FDM (Fused Deposition Modeling) est la technologie utilisée par les imprimantes à filament.
SLA (StereoLithography Apparatus) ou DLP (Digital Light Processing) sont celles utilisées par les imprimantes dites « à résine ».
Vous entendrez probablement parler également d’impression SLS (Selective Laser Sintering).
Qu’est ce que ça signifie, en quoi ça consiste tout ça ?
Je vous l’explique dans les onglets ci dessous.
Concept
Une imprimante FDM utilise du filament qu’elle fait chauffer et qu’elle dépose sur un plateau, par couches successives.
Il y a 3 axes minimum gérés par l’imprimante (les coordonnées cartésiennes):
- Les axes X et Y qui correspondent aux mouvements horizontaux (avant/arrière et gauche/droite)
- L’axe Z qui correspond aux déplacements verticaux.
La synchronisation de ces 3 axes permet à l’imprimante de se positionner à un point précis du plateau pour déposer du filament.
Le filament est entrainé par un mécanisme agrippant, appelé extrudeur.
Le filament se dépose sur la couche précédente, et ainsi de suite (vidéo accélérée).
Il y a deux « écoles » principales pour gérer ces axes:
- Le plateau se déplace uniquement sur l’axe Z (l’axe vertical), et la tête d’impression se déplace sur les axes X (avant/arrière) et Y (gauche/droite).
- Le plateau se déplace sur l’axe X (avant/arrière) et la tête d’impression gère les axes Z (horizontal) et Y (gauche/droite).
Pour « savoir » où sa buse se trouve sur les 3 axes, l’imprimante 3D se réfère à une position de référence pour chacun, qui généralement, est la position 0 de chaque axes.
Un capteur fixé à ces endroits indique à l’imprimante qu’elle a atteint ses références. Ensuite, l’imprimante « compte » le nombre de déplacements qu’elle fait à partir de ces références, pour savoir où se situe sa buse.
Lorsqu’une impression est lancée, l’imprimante va chercher ces points de référence (qu’on appelle aussi le « home« ), puis va lancer l’impression. Sauf réglage particulier, elle ne reviendra pas à ces points de références avant de terminer l’impression, ce qui signifie qu’elle calcule à chaque mouvement sa position, et qu’elle peut se baser uniquement sur ses calculs pour identifier la position de la buse.
Cela peut être un soucis car si quelque chose bloque le mouvement de l’un des axes pendant l’impression, l’imprimante ne le saura pas, et continuera d’imprimer, entraînant fatalement l’échec de l’impression (décalages ou décollement des couches).
Matière première
L’imprimante utilise du filament qu’elle fait fondre en le chauffant.
Il y a plusieurs types de filaments, dont les principaux sont:
- PLA (Acide polylactique, un polymère biodégradable à base d’amidon de maîs)
- PLA+ (une version plus solide du PLA)
- PETG (thermoplastique classique)
- ABS
Ces filaments sont classés par ordre de résistance, le PLA étant le moins solide. Plus le filament est résistant, plus il devra être chauffé à une température élevée pour imprimer une pièce.
Le PLA aura besoin d’une température de chauffe autour des 200°C, alors que l’ABS s’approchera plus des 300°C pour pouvoir être utilisé.
Dimensions de la zone d’impression
Généralement, les imprimantes proposent des zones d’impressions à partir de 200 mm de coté, pour 200 mm de haut.
Précision
Oubliez les petites pièces ou bien les pièces très détaillées; même s’il est possible d’imprimer avec une épaisseur de couche de 0.7mm, le fait que la buse (ou le plateau) se déplace lors de l’impression peut causer des bavures.
Par ailleurs, le principe même de fonctionnement (déposer du filament en fusion sur une surface) empêche de créer des pointes ou des éléments de petits taille avec une grande précision.
Voici par exemple une figurine imprimée avec une imprimante à filament (la pièce blanche) et la même, imprimée en résine (pièce grise). C’est sans appel.
Slicers
Le plus connu étant CURA, il existe d’autres slicers tout à fait corrects, je pense à PrusaSlicer, ou un de ses dérivés, que j’utilise: SuperSlicer.
Le slicer va générer un fichier au format .gcode, et c’est ce format que l’imprimante saura lire pour imprimer la pièce.
Prix
Un budget de 300 euros est une bonne base pour les débutants en impression 3D qui veulent obtenir leur première imprimante.
L’automatisme a un prix.
Aussi, si vous souhaitez prendre une très bonne imprimante quasiment entièrement automatique, jetez un oeil sur les modèle de la marque Prusa (et multipliez le prix par 3).
Concept
SLA (StereoLithography Apparatus de son doux nom) est un procédé utilisant le laser.
Le plateau d’impression baigne dans une cuve remplie de résine. Un système de laser vient créer, à un endroit précis, et à la base de la cuve, un point de chauffe chargé en ultraviolets.
La résine réagit aux ultraviolets, et se durcit au niveau de ce point de chauffe. Il ne reste qu’à répéter cette étape pour toute la première couche, puis le plateau se soulève un tout petit peu, et le cycle recommence, jusqu’à ce la pièce complète soit imprimée.
Alors que pour une imprimante à filament, le plateau est en bas, et la buse d’impression se trouve en haut, l’impression en résine est inversée:
La cuve contenant la résine est au sol, et le système de polymérisation se trouve sous la cuve. Le fond de la cuve est transparent, ce qui permet de laisser passer la lumière.
Le plateau est situé à l’envers, au dessus, et vient entrer en contact avec le fond de la cuve, en s’immergeant dans la résine.
C’est sur le plateau que la première couche vient se fixer lors de la polymérisation. Le plateau remonte au fur et à mesure de l’impression.
Ainsi, les pièces sont imprimées « tête en bas ».
Matière première
On utilise de la résine qui réagit aux longueurs d’onde proches de celles des rayons UV.
Les rayons UV ont une longueur d’onde entre 100 et 400nm (nanomètres).
Les résines les plus courantes réagissent à 450nm.
Dimensions de la zone d’impression
Les dimensions commencent autour de 115 mm x 65 mm x 155 mm.
Précision
La précision est assez poussée.
Alors qu’une imprimante à filament pourra difficilement faire plus fin que 0.6mm d’épaisseur, chaque couche d’une imprimante en résine (SLA ou DLP) a généralement une épaisseur 10 fois plus fine: 0.05mm.
Cela augmente donc considérablement le temps d’impression, mais offre un niveau de détail unique.
Slicers
J’utilise pour ma part Lychee Slicer, mais ce n’est pas le seul. J’avoue ne pas en connaître beaucoup d’autres.
Dans le cas d’une impression résine, le slicer crée un fichier .pws
Ce n’est pas la même méthode de découpe ni le même format que pour les imprimantes à filament. Les slicers ne sont donc pas les mêmes, sauf peut être pour PrusaSlicer, qui semble compatible également avec les imprimantes résine de la marque.
Prix
C’est la que ça pique.
Comptez minimum 350 euros pour les plus petites imprimantes.
Concept
Une imprimante DLP fonctionne exactement de la même façon qu’une imprimante SLA.
Je ne vais donc pas répéter ce que j’ai écrit pour le SLA.
La seule différence est dans la génération du point de polymérisation.
En effet, dans une imprimante DLP, ce n’est pas un laser qui va générer un point de solidification, mais c’est un écran.
L’écran affiche en une fois la totalité de la zone à polymériser pour chaque couche.
Pour entrer dans le détail, il y a dans le bloc, en partie basse de l’imprimante, une matrice qui émet des rayons UV.
La cuve contenant la résine est posée sur un écran qui occulte totalement les rayons UV.
Cet écran va alors laisser passer la lumière UV uniquement aux endroits nécessaire pour constituer la couche de polymérisation. Puis il s’occulte totalement, et recommence avec la couche suivante, et ainsi de suite.
Concept
Alors la, les gars, on est dans le turfu.
L’imprimante dispose d’un plateau, qui se trouve recouvert d’une poudre spéciale.
Un laser vient frapper la poudre, et provoque alors sa solidification, là où c’est nécessaire.
Lorsque la première couche est terminée, de la poudre est ajoutée pour recouvrir la partie solidifiée, et le laser solidifie la nouvelle couche, et ainsi de suite.
Matière première
Il s’agit d’une poudre spécifique, qui est chauffée par l’imprimante, à une température proche de sa température de fusion.
Le laser, lorsqu’il frappe cette poudre, achève le processus de fusion, et solidifie la matière.
Bien souvent, c’est de la poudre de nylon qui est utilisée. Les pièces imprimées sont donc dans la même matière.
Dimensions de la zone d’impression
J’ai vu du 165 x 165 x 300 mm parmi les plus petites tailles.
Crédit: Formlabs.
Précision
C’est comparable à la précision de l’impression résine: les couches ont pour épaisseur entre 50 et 200 microns (0.05 et 0.2 mm)
Slicers
Je n’en suis pas certain, mais les constructeurs proposent leurs propres slicers.
C’est aussi le cas pour les imprimantes à filament, mais dans le cas des imprimantes SLS, je ne vois pas un logiciel se démarquer des autres par sa popularité ou sa simplicité…
Prix
Vous avez vu l’imprimante dont je parle ci dessus ? La zone d’impression est assez petite. Pour ce modèle, on commence gentiment (gentiment = sans options) à 18 500 dollars. Je n’en ai pas vu de moins chères en tout cas.
Voila voila…
Dans le grand commerce, ce sont donc surtout des imprimantes 3D FDM et DLP que vous trouverez. Elles seront en tout cas parmi les plus abordables.
Quand aux imprimantes SLA et DLP, dites vous généralement que dès qu’on utilise du laser, ça commence à couter cher 🙂
Cet article se veut vous présenter l’impression 3D dans sa globalité. Je ne vais pas vous donner de conseils poussés pour les réglages de votre imprimante (pourquoi pas en parler dans un prochain article si vous le souhaitez).
Néanmoins, si vous souhaitez vous lancer dans l’impression 3D, et que vous hésitez sur la techno d’impression, voici quelques avantages / inconvénients:
Mon expérience
Je dispose chez moi de deux imprimantes à filament, et d’une imprimante résine.
Comme vous l’avez vu ci dessus, les usages ne sont pas les mêmes.
Aussi, j’utilise les imprimantes à filament pour réaliser de grosses pièces (décors, grosses figurines, pièces de réparation, protections et caches, boitiers…).
L’imprimantes à résine sert pour les petites pièces (figurines, petits éléments de décors, tout ce qui possède beaucoup de détail).
Je dispose d’une Anycubic I3 Mega ainsi que d’une Créality Ender 5 pro pour les impression filament, et d’une Anycubic Photon S pour l’impression résine.
Ces trois modèles sont intéressants pour débuter dans leurs domaines d’impression respectifs.
Ils sont fiables, ils reposent sur des marques qui ont fait leur preuves et sont abordables financièrement.
Volume d'impression: 210 x 210 x 205 mm
Prix: 300 €
La Ender 5 Pro de chez Creality
Volume d'impression: 220 x 220 x 300 mm
Prix: 360 €
Volume d'impression: 115 x 65 x 165 mm
Prix: 425 €
Inutile de vous lancer dans des modèles chers pour commencer.
Cher n’est pas synonyme de résultats de qualités. Le prix varie en fonction de la taille du plateau et des possibilités de réglage, des automatismes de la machine.
Plus de réglages, ce sont d’autant de difficultés qui risquent de vous rebuter quand vous souhaiterez imprimer.
Prenez l’exemple de la Creality 5 plus. C’est le modèle juste au dessus de la Ender 5 pro.
C’était à sa sortie parfois un véritable enfer à configurer pour obtenir des impressions correctes.
Se casser les dents sur les réglages est vite décourageant.
Un budget entre 300 et 400 euros est une moyenne à viser pour une première acquisition (impression résine ou à filament).
Voici quelques conseils à ce sujet:
Je vous recommande le PETG ou en PLA, voire PLA+.
C’est très résistant (surtout le PETG) et ça s’imprime très bien.
Ca ne dégage pas d’odeurs nocives (contrairement à l’ABS par exemple).
Concernant les températures:
- Environs 250 °C pour la buse et 65 °C pour le plateau en impression PETG.
- Autour de 200-220 °C pour la buse et 60 °C pour le plateau en impression PLA et PLA+
L’ABS va demander de fortes températures de buse et de plateau.
Votre imprimante pourra certainement gérer les températures (entre 250 et 300 °C pour la buse et au dessus de 90 °C pour le plateau).
Cependant, un caisson peut être nécessaire car il y aura une différence importante entre la température du plateau et la température ambiante de la pièce.
Le filament déposé sur le plateau va refroidir trop vite et se contracter au fur et à mesure des couches.
Au mieux, vous aurez du décollement sur les extrémités (on appelle cela du warping).
Au pire, toute la pièce va se décoller pendant l’impression.
Quelles marques de filament ?
J’ai toujours été très satisfait de la marque SUNLU. Elle est abordable et donne de très très bons résultats.
Comptez 25 euros pour une bobine de 1Kg de PETG.
La marque ICE est intéressante également, mais méfiance !
Selon la couleur, j’ai eu des soucis avec la buse de l’imprimante qui se bouchait.
Préférez donc des couleurs claires, comme le blanc, si vous imprimez avec cette marque.
Quel prix ?
Comptez par exemple environs 25 euros pour 1Kg de PETG de marque SUNLU. Ca me semble être une bonne moyenne.
Il existe des filaments dont les prix s’envolent, je n’en connait pas la raison, sincèrement. Ils font aussi le café et la vaisselle ?
Combien d’impressions pour 1 Kg de filament ?
C’est probablement la question la plus difficile à laquelle répondre: ça va dépendre de beaucoup de choses.
Si votre pièce comporte beaucoup de support, c’est d’autant de filament qui sera perdu. Le débit de filament en sortie de buse est aussi un paramètre à considérer.
Envisagez aussi les impressions qui n’auront pas fonctionné, car ce sont des choses qui arrivent, surtout au début.
1 Kg de PLA représente une longueur de filament d’environ 125 mètres. Il y aura beaucoup beaucoup d’impressions avant d’en venir à bout: la buse fait fondre le filament à raison de quelques millimètres par minute.
Pour vous donner un ordre de grandeur, la totalité des pièces imprimées en filament pour le projet Porte des Etoiles nécessitera deux bobines de 1Kg (il y a pas mal de supports).
Pour l’impression résine, c’est plus simple que pour le filament: il n’y a pas 50 000 résines différentes pour imprimer.
C’est de la lumière UV qui va faire sécher la résine en la bombardant. Il faut donc que la résine réagisse à la longueur d’onde des ultraviolets.
Les ultraviolets émettent dans la longueur d’onde située entre 100 et 400 nm. Une résine réagissant aux rayons autour de 450nm est tout à fait indiquée.
Quelles marques de résine ?
Pour ma part, je n’ai pas essayé énormément de marques différentes. Je n’ai jamais jamais eu de soucis avec la marque Anycubic et vous la recommande. Un conseil: la résine Anycubic Grey donnera une base parfaite pour peindre vos pièces.
Mais pour ce qui est des autres marques, je vous invite à fouiner un peu les avis sur internet avant d’acheter.
Quel prix ?
La résine est plus onéreuse que le filament.
Chez Anycubic, comptez un peut moins de 35 euros pour 1 litre de résine.
Combien d’impressions pour 1 Litre de résine ?
Difficile de répondre également à cette question.
Comme pour l’impression à filament, il y aura des supports sur votre impression résine qui iront directement à la poubelle.
J’imprime actuellement de nombreuses figurines avec l’imprimante résine.
Pour vous donner une idée de grandeur, toutes les figurines ci-dessous mesurent 75 mm de haut.
Avec 500 ml de résine, je devrait pouvoir toutes les imprimer.
A échelle industrielle
Alors là, on arrive dans des ordres de grandeur qui nous dépassent: les imprimantes sont bien plus grandes, les pièces aussi.
Et tous les domaines les utilisent. Par exemple, avec une résine spécifique, on imprime des dents. Plus généralement, l’impression 3D a envahit le domaine médical (prothèses, articulations…). Il existe même des imprimantes 3D qui utilisent de vraies cellules humaines pour reproduire des organes !
Il est déjà possible d'imprimer en 3D des prothèses et des cellules (oui !) pour soigner.
Crédit: Fabulous.
A plus grande échelle, certaines imprimantes sont en mesure d’imprimer des carters de moto.
Etant donné que ces pièces ne nécessitent pas une résistance accrue, leur impression est possible pour usage réel.
Crédit: Cyclaos.
On utilise alors des imprimantes qui font des dimensions à l’échelle du mètre.
Si vous ne savez pas quoi faire de votre salon, et de quelques centaines de milliers d’euros, vous pouvez vous en procurer.
Elle fait pas que de l'impression 3D: Elle fait aussi de la découpe CNC, je soupçonne de la découpe laser aussi.
Prix: 166 000 € (sans options)
Crédit: BIGREP
Enfin, il existe une imprimante qui utilise du béton comme « filament ».
En somme, elle imprime des maisons.
Non seulement c’est très économique, mais en plus, le temps d’impression est bien plus court que pour une construction traditionnelle.
On sait imprimer des bâtiments rectangulaires, comme cet immeuble imprimé en 3D (oui oui, un immeuble).
Vitesse maximale: 1m/seconde soit environ 10 tonnes de béton par heure.
Crédit: 3dnatives.
Conclusion
Que retenir de tout ça ?
Est ce qu’acheter une imprimante 3D vaut le coup ?
Et bien tout dépend de l’usage que vous en aurez. Si vous aimez faire du modélisme, oui c’est très intéressant: vous pourrez créer vos propres pièces ou utiliser des pièces disponibles sur internet.
Quand on voit le prix des éléments de modélisme (figurines, décors), il est plus intéressant de les imprimer soi même. A terme, le prix de l’imprimante sera amorti.
Je vous recommande une imprimante en résine si vous souhaitez imprimer des petites figurines. Vous aurez de meilleurs détails et moins de nettoyage à faire sur la pièce.
D’ailleurs, cet usage peut faire de l’ombre à des fabricants comme Game Workshop, puisqu’il est possible d’imprimer par exemple des Warhammer directement chez soi. Et pour un prix dérisoire.
Si vous imprimez des décors (bâtiments par exemple), ou des figurines de grande taille, une imprimante à filament fera très bien l’affaire.
Si vous aimez bricoler, que vous souhaitez imprimer des pièces de rechange, là aussi, une imprimante FDM est toute indiquée.
Dans tous les cas, avant de vous lancer dans un gros truc, faites des tests.
Familiarisez vous avec votre imprimante et regardez les nombreux tutos que vous pourrez trouver partout sur internet.
Il vaut mieux perdre du temps à bien apprendre et à maitriser, plutôt que le perdre à chaque pièce que vous avez imprimé, à chercher pourquoi le résultat n’est pas nickel.
