Modélisation par dépôt de fil fondu

Le Fused Deposition Modeling, ou FDM, est la technique la plus connue du grand public. Quand on pense à une imprimante 3D, on imagine souvent une machine qui fait fondre un fil de plastique et dépose des couches les unes sur les autres. C’est exactement ce qu’est le FDM. C’est la méthode la plus accessible, mais aussi l’une des plus polyvalentes pour produire des objets.

À l’origine, cette technologie était brevetée et réservée aux grandes entreprises, mais aujourd’hui, on trouve une imprimante FDM dans bien des salons, ateliers et studios de conception. La force de cette technique réside dans la simplicité du processus et l’immense choix de matériaux disponibles.

Comment fonctionne exactement le FDM ?

Le principe de base du FDM peut être comparé à un pistolet à colle très précis et automatisé. Le processus commence avec une bobine de fil plastique, le filament. Un moteur pousse ce filament à travers une tête d’impression chauffée, appelée buse. Dans cette tête d’impression, le plastique est chauffé juste assez pour fondre et devenir liquide.

L’imprimante déplace ensuite la tête d’impression sur le plateau selon une trajectoire programmée. Pendant que la tête se déplace, le plastique fondu est déposé sur la plateforme de fabrication. Comme la plaque ou le ventilateur de la tête d’impression est plus froid que le plastique fondu, le matériau se solidifie presque immédiatement. Dès qu’une couche complète est tracée, le plateau descend d’une fraction de millimètre (ou la tête monte) et le processus recommence pour la couche suivante. L’objet se construit ainsi lentement à partir de rien.

La structure de l’imprimante : cartésienne vs CoreXY

Toutes les imprimantes FDM ne se ressemblent pas et ne se déplacent pas de la même manière. La façon dont la tête d’impression et le plateau bougent a une influence sur la vitesse et la qualité de votre impression.

• Imprimantes cartésiennes: C’est le type le plus courant. Ici, le plateau d’impression avance et recule, tandis que la tête d’impression se déplace de gauche à droite et vers le haut. Ce sont souvent des machines robustes et abordables. L’inconvénient est que le plateau doit secouer d’avant en arrière le modèle, parfois lourd, qu’il supporte. À grande vitesse, cela peut provoquer des vibrations dans l’impression.
• Imprimantes CoreXY: Sur ces imprimantes, le plateau reste immobile et ne descend que lentement. La tête d’impression effectue tout le travail rapide dans les directions horizontales. Comme le modèle lourd n’est pas secoué d’avant en arrière, ces imprimantes peuvent souvent imprimer beaucoup plus vite et avec plus de précision. On les retrouve fréquemment sur des machines plus professionnelles.
• Imprimantes Delta: Elles se distinguent par leurs trois longs bras. Elles sont conçues pour la vitesse et sont particulièrement efficaces pour imprimer des objets hauts. Elles sont toutefois un peu plus complexes à régler correctement.

Alimentation du filament : Bowden ou Direct Drive ?

Un détail technique important est l’emplacement du moteur qui pousse le filament. Cela détermine en grande partie quels matériaux vous pourrez imprimer correctement.

Dans un système Bowden, le moteur est fixé au châssis de l’imprimante et le filament est poussé vers la tête d’impression via un long tube. Cela rend la tête d’impression légère et rapide, mais complique l’impression de matériaux flexibles. C’est comme essayer de pousser une ficelle à travers une paille : elle finit par se plier et se coincer.

Dans un système Direct Drive, le moteur est placé directement au-dessus de la tête d’impression. Le moteur entraîne le filament directement dans la buse. Cela offre beaucoup plus de contrôle et de puissance. Vous pouvez ainsi imprimer sans difficulté des matériaux souples et caoutchouteux (comme le TPU). L’inconvénient est que la tête d’impression est plus lourde, ce qui peut parfois limiter légèrement la vitesse de déplacement.

Choix des matériaux : du plastique aux substituts métalliques

Le plus grand avantage du FDM est son immense bibliothèque de matériaux. Il existe un filament spécifique pour presque chaque application.

• PLA: Le matériau standard pour les débutants. Il est fabriqué à partir d’amidon, ne dégage presque pas d’odeur pendant l’impression et se déforme peu. Il est rigide, mais résiste mal à la chaleur (il peut se déformer dans une voiture chaude).
• PETG: Le meilleur des deux mondes. Il s’imprime presque aussi facilement que le PLA, mais il est bien plus solide et résiste mieux à la chaleur et aux UV. C’est le standard pour les pièces fonctionnelles.
• ABS et ASA: Des plastiques industriels classiques. Ils sont très résistants à la chaleur et solides. Leur inconvénient est qu’ils se rétractent pendant le refroidissement, ce qui les fait souvent se décoller rapidement de la plateforme de fabrication (warping). Une imprimante fermée est nécessaire pour les utiliser.
• Flexibles (TPU): Des matériaux de type caoutchouc que vous pouvez utiliser pour des pneus, des joints ou des amortisseurs. Ils sont pratiquement incassables et élastiques.
• Composites: Des plastiques renforcés par des fibres de carbone ou de verre. Ces matériaux sont extrêmement rigides et solides, conçus pour des pièces soumises à de fortes charges.

Le point faible : les couches et la résistance

Il existe un inconvénient important du FDM dont vous devez tenir compte en tant que concepteur. Comme l’objet est construit en couches, sa résistance n’est pas identique dans toutes les directions. On peut comparer cela au bois, qui a un fil. Dans le sens des lignes, le matériau est très résistant, mais si l’on exerce une force entre les couches, il peut se fendre.

Ce phénomène s’appelle l’anisotropie. Un petit crochet imprimé à la verticale peut se casser facilement si on y suspend du poids. Si vous imprimez ce même crochet à plat sur le côté, les lignes suivent la courbe et il devient bien plus résistant. Lors de la préparation de votre impression (slicing), il faut donc toujours bien réfléchir à la manière dont la pièce sera sollicitée.

Supports et formes complexes

Une imprimante 3D ne peut pas imprimer dans le vide. Si votre modèle comporte des parties en surplomb, comme les bras d’une figurine ou le toit d’une petite maison, il faut prévoir quelque chose en dessous pour soutenir le plastique. C’est ce qu’on appelle le matériau de support.

Les imprimantes standard impriment ces piliers de support dans le même matériau que le modèle. Après l’impression, on les casse pour les retirer. Cela laisse souvent quelques marques peu esthétiques. Les imprimantes avancées possèdent deux têtes d’impression. L’une imprime le modèle, l’autre imprime les supports dans un matériau spécial soluble (comme le PVA). Après l’impression, il suffit de placer le modèle dans un bac d’eau et les supports se dissolvent d’eux-mêmes. Cela permet de créer des formes incroyablement complexes, impossibles à réaliser avec toute autre technique.

Quand choisir le FDM ?

Le FDM est le choix idéal si vous avez besoin de pièces fonctionnelles et solides sans payer le prix fort. Il est parfait pour des prototypes fonctionnels, des boîtiers électroniques, des supports d’outils et des pièces de rechange. En revanche, si vous recherchez des détails extrêmes pour des figurines miniatures ou des bijoux, par exemple, une autre technique comme le SLA sera probablement plus appropriée, car le FDM laisse toujours des lignes visibles à la surface.