Qu'est-ce que l'impression 3D FDM (Fused Deposition Modeling) ? Expliqué par Hubs

Modélisation des dépôts en fusion (FDM) L'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication de filaments fondus (FFF), est une fabrication additive (AM) processus dans le domaine de l'extrusion de matériaux. FDM construit des pièces couche par couche en déposant sélectivement un matériau fondu dans un chemin prédéterminé et utilise des polymères thermoplastiques qui se présente sous forme de filaments.

Constituant la plus grande base installée d'imprimantes 3D de bureau et de qualité industrielle dans le monde, FDM est la technologie la plus largement utilisée et probablement le premier processus auquel vous pensez lorsque l'impression 3D arrive.

Dans cet article, nous couvrons les principes de base et les caractéristiques clés de cette technologie additive populaire. Nous explorons également les différences entre les machines FDM conçues pour les applications de bureau et industrielles et fournissons des conseils et astuces aux ingénieurs pour obtenir les meilleurs résultats de l'impression 3D FDM.

Regardez avant de lire :comment créer un prototype comme un pro avec l'impression 3D FDM

Cette vidéo explique comment utiliser l'impression 3D FDM pour un prototypage rapide.

Comment fonctionne l'impression 3D FDM ?

Une imprimante 3D FDM fonctionne en déposant un matériau de filament fondu sur une plate-forme de construction couche par couche jusqu'à ce que vous ayez une pièce terminée. FDM utilise des fichiers de conception numériques qui sont téléchargés sur la machine elle-même et les traduit en dimensions physiques. Matériaux pour FDM inclure des polymères tels que ABS , PLA , PETG et Î.-P.-É. , que la machine fait passer sous forme de fils à travers une buse chauffée.

Pour faire fonctionner une machine FDM, vous chargez d'abord une bobine de ce filament thermoplastique dans l'imprimante. Une fois que la buse atteint la température souhaitée, l'imprimante fait passer le filament à travers une tête d'extrusion et une buse.

Cette tête d'extrusion est fixée à un système à trois axes qui lui permet de se déplacer sur les axes X, Y et Z. L'imprimante extrude le matériau fondu en brins fins et les dépose couche par couche le long d'un chemin déterminé par la conception. Une fois déposé, le matériau se refroidit et se solidifie. Vous pouvez fixer des ventilateurs à la tête d'extrusion pour accélérer le refroidissement dans certains cas.

Pour remplir une zone, plusieurs passages sont nécessaires, comme pour colorer une forme avec un marqueur. Lorsque l'imprimante termine une couche, la plate-forme de fabrication descend et la machine commence à travailler sur la couche suivante. Dans certaines configurations de machine, la tête d'extrusion monte. Ce processus se répète jusqu'à ce que la pièce soit terminée.

Quels sont les paramètres d'impression pour les imprimantes 3D FDM ?

La plupart des systèmes FDM vous permettent de régler plusieurs paramètres de processus. Ceux-ci incluent les températures de la buse et de la plate-forme de fabrication, la vitesse de fabrication, la hauteur de la couche et la vitesse du ventilateur de refroidissement. Si vous êtes un concepteur, vous n'avez normalement pas à vous soucier de ces ajustements, car un opérateur AM a probablement déjà cela couvert.

Cependant, les facteurs importants à prendre en compte sont la taille de la construction et la hauteur de la couche. La taille de construction courante d'une imprimante 3D de bureau est de 200 x 200 x 200 mm, tandis que les machines industrielles peuvent atteindre des tailles de 1 000 x 1 000 x 1 000 mm. Si vous préférez utiliser une machine de bureau pour imprimer votre pièce, vous pouvez décomposer un grand modèle en pièces plus petites, puis le réassembler .

La hauteur de couche typique de FDM varie entre 50 et 400 microns. L'impression de couches plus courtes produit des pièces plus lisses et capture plus précisément les géométries courbes, bien que l'impression de couches plus hautes signifie que vous pouvez créer des pièces rapidement et à un prix inférieur.

Conseil de conception : Un compromis intelligent que nous recommandons est d'imprimer des couches de 200 microns d'épaisseur. Vouloir en savoir davantage? Consultez notre article sur l'impact de la hauteur de couche sur les pièces imprimées en 3D .

Existe-t-il une différence entre les imprimantes FDM de bureau et industrielles ?

Les imprimantes FDM se divisent généralement en deux catégories principales :les machines industrielles (également appelées professionnelles) et de bureau (également appelées prototypage). Les deux qualités d'imprimante ont des applications et des avantages distincts, bien que la principale différence entre les deux technologies soit leur échelle de production.

Les imprimantes 3D FDM industrielles, comme l'imprimante 3D Stratasys, sont beaucoup plus chères que leurs homologues de bureau - les machines de bureau étant principalement destinées à un usage domestique et grand public - leur utilisation pour vos pièces personnalisées augmentera donc. Comme les machines industrielles sont plus efficaces et puissantes que les imprimantes FDM de bureau, elles sont plus souvent utilisées pour l'outillage, les prototypes fonctionnels et les pièces d'utilisation finale.

De plus, les imprimantes FDM industrielles peuvent exécuter des commandes plus importantes beaucoup plus rapidement que les machines de bureau. Ils sont conçus pour la répétabilité et la fiabilité et peuvent produire la même pièce encore et encore avec une intervention humaine minimale. Les imprimantes FDM de bureau ne sont pas aussi robustes. Avec les machines de bureau, vous devez effectuer une maintenance utilisateur fréquente et un étalonnage régulier.

Dans le tableau ci-dessous, nous décomposons les principales différences entre une machine FDM de bureau typique et une machine industrielle.

Propriété	FDM industriel	FDM de bureau
Précision standard	± 0,15 % (limite inférieure ± 0,2 mm)	± 1 % (limite inférieure :± 1,0 mm)
Épaisseur de couche typique	0,18 - 0,5 mm	0,10 - 0,25 mm
Épaisseur de paroi minimale	1mm	0,8 - 1 mm
Enveloppe de construction maximale	Grand (par exemple 900 x 600 x 900 mm)	Moyen (par exemple 200 x 200 x 200 mm)
Matériaux courants	ABS, PC, ULTEM	PLA, ABS, PETG
Matériel d'assistance	Hydrosoluble/Break-away	Identique à la pièce (généralement)
Capacités de production (par machine)	Faible/Moyen	Faible
Coût machine	50 000 $+	500 $ - 5 000 $

Quelles sont les caractéristiques de l'impression 3D FDM ?

Bien que les imprimantes 3D FDM varient en termes de systèmes d'extrusion et de qualité des pièces que vous obtenez de diverses machines, il existe des caractéristiques communes que vous pouvez attendre de chaque processus d'impression FDM.

Déformation

Le gauchissement est l'un des défauts les plus courants en FDM. Lorsque le matériau extrudé refroidit pendant la solidification, ses dimensions diminuent. Étant donné que différentes sections de la pièce imprimée refroidissent à des vitesses différentes, leurs dimensions changent également à des vitesses différentes. Le refroidissement différentiel provoque l'accumulation de contraintes internes qui tirent la couche sous-jacente vers le haut, la faisant se déformer.

Il existe plusieurs façons d'empêcher le gauchissement. Une méthode consiste à surveiller de près la température de votre système FDM, en particulier la plate-forme de fabrication et la chambre. Vous pouvez également augmenter l'adhérence entre la pièce et la plate-forme de fabrication pour atténuer le gauchissement.

Faire certains choix pendant le processus de conception peut également réduire le risque de déformation de votre pièce. Voici quelques exemples :

• Les grandes surfaces plates - comme vous le verriez sur une boîte rectangulaire - sont plus sujettes au gauchissement. Essayez de les éviter autant que possible.

• Les caractéristiques saillantes minces - pensez aux dents d'une fourchette - sont également sujettes au gauchissement. L'ajout d'un matériau de guidage ou de soulagement des contraintes supplémentaire sur les bords des éléments minces pour augmenter la zone qui entre en contact avec la plate-forme de construction permet d'éviter cela.

• Les coins pointus se déforment plus souvent que les formes arrondies, nous vous recommandons donc d'ajouter des congés à la conception.

• Chaque matériau a sa propre sensibilité au gauchissement. Par exemple, l'ABS est généralement plus sensible au gauchissement que le PLA ou le PETG, par exemple.

Adhésion des couches

Une adhérence sûre entre les couches déposées d'une pièce est essentielle en FDM. Lorsqu'une machine FDM extrude du thermoplastique fondu à travers la buse, ce matériau appuie contre la couche précédemment imprimée. Une température et une pression élevées provoquent la refusion de cette couche et lui permettent de se lier à cette couche précédente.

Et puisque le matériau fondu appuie contre la couche préalablement imprimée, sa forme se déforme en un ovale. Cela signifie que les pièces FDM ont toujours une surface ondulée, quelle que soit la hauteur de la couche est utilisé, et que de petites fonctionnalités, telles que de petits trous ou threads , peut nécessiter un post-traitement.

Structure de support

Les imprimantes FDM ne peuvent pas déposer de thermoplastique fondu à la surface de l'air. Certaines géométries de pièces nécessitent des structures de support , qui sont généralement imprimés dans le même matériau que les pièces elles-mêmes.

Souvent, le retrait des matériaux de la structure de support peut être difficile, il est donc souvent beaucoup plus facile de concevoir des pièces de manière à minimiser le besoin de structures de support. Des matériaux de support qui se dissolvent dans le liquide sont disponibles, mais vous les utilisez généralement en tandem avec des imprimantes 3D FDM haut de gamme. Sachez que l'utilisation de supports solubles augmentera le coût global d'une impression.

Épaisseur de remplissage et coque

Pour réduire le temps d'impression et économiser sur les matériaux, les imprimantes FDM ne produisent généralement pas de pièces solides. Au lieu de cela, la machine trace le périmètre extérieur - appelé la coque - en plusieurs passes et remplit l'intérieur - appelé le remplissage - avec une structure interne à faible densité.

Remplissage et épaisseur de coque affectent considérablement la résistance des pièces imprimées par FDM. La plupart des imprimantes FDM de bureau ont un paramètre par défaut de densité de remplissage de 20 % et une épaisseur de coque de 1 mm, ce qui offre un compromis approprié entre résistance et vitesse pour des impressions rapides.

Le tableau ci-dessous résume les principales caractéristiques de l'impression 3D FDM.

	FDM
Matériaux	Thermoplastiques (PLA, ABS, PETG, PC, PEI, etc.)
Précision dimensionnelle	± 0,5 % (limite inférieure ± 0,5 mm) - bureau ± 0,15 % (limite inférieure ± 0,2 mm) - industriel
Taille de construction typique	200 x 200 x 200 mm - bureau 900 x 600 x 900 mm - industriel
Épaisseur de couche commune	50 à 400 microns
Assistance	Pas toujours requis (soluble disponible)

Quels sont les matériaux courants pour l'impression 3D FDM ?

L'un des principaux avantages du FDM (à la fois de bureau et industriel) est la large gamme de matériaux de la technologie. Cela inclut les thermoplastiques de base tels que le PLA et ABS , matériaux d'ingénierie comme PA, TPU et PETG et des thermoplastiques hautes performances, dont le PEEK et le PEI .

Le filament PLA est le matériau le plus couramment utilisé dans les imprimantes FDM de bureau. L'impression avec PLA est relativement facile et peut produire des pièces avec des détails plus fins. Lorsque vous avez besoin d'une résistance, d'une ductilité et d'une stabilité thermique supérieures, vous utilisez normalement l'ABS. Cependant, l'ABS est plus susceptible de se déformer, surtout si vous utilisez une machine qui n'a pas de chambre chauffée.

Une autre alternative pour l'impression FDM de bureau est le PETG, qui est comparable à l'ABS dans sa composition et sa facilité d'impression. Ces trois matériaux conviennent à la plupart des applications de service d'impression 3D, du prototypage à la forme, l'ajustement et la fonction, à la production à faible volume de modèles ou de pièces fonctionnelles.

Les machines FDM industrielles, en revanche, utilisent principalement des thermoplastiques techniques , y compris ABS, polycarbonate (PC) et Ultem. Ces matériaux sont généralement équipés d'additifs qui modifient leurs propriétés et les rendent particulièrement utiles pour les besoins industriels tels que la résistance élevée aux chocs, la stabilité thermique, la résistance chimique et la biocompatibilité.

L'impression dans différents matériaux affectera les propriétés mécaniques et la précision de votre pièce, ainsi que son coût. Nous comparons les matériaux FDM les plus courants dans le tableau ci-dessous.

Matériel	Caractéristiques
ABS	+ Bonne résistance + Bonne résistance à la température - Plus susceptible de se déformer
PLA	+ Excellente qualité visuelle + Facile à imprimer avec - Faible résistance aux chocs
Nylon (PA)	+ Haute résistance + Excellente résistance à l'usure et aux produits chimiques - Faible résistance à l'humidité
PETG	+ Sans danger pour les aliments* + Bonne solidité + Facile à imprimer avec
TPU	+ Très flexible - Difficile à imprimer avec précision
Î.-P.-É.	+ Excellente résistance au poids + Excellente résistance au feu et aux produits chimiques - Coût élevé

Pour plus de détails, consultez cette revue des principales différences entre le PLA et l'ABS — les deux matériaux FDM les plus courants — et une comparaison approfondie de tous les matériaux FDM courants .

Post-traitement pour l'impression 3D FDM

Pièces imprimées en 3D FDM peut être fini à un niveau assez élevé via plusieurs méthodes de post-traitement, y compris le ponçage et le polissage, l'apprêt et la peinture, le soudage à froid, le lissage à la vapeur, le revêtement époxy et le placage métallique.

Vous souhaitez explorer toutes les options de post-traitement pour votre prochaine production de pièces FDM ? Lisez notre guide complet à ce qui est disponible.

Quelles sont les meilleures pratiques pour imprimer avec FDM ?

• FDM peut produire des prototypes et des pièces fonctionnelles rapidement et à moindre coût.

• Il existe une large gamme de matériaux disponibles pour FDM.

• La taille de construction typique d'une imprimante 3D FDM de bureau est de 200 x 200 x 200 mm. Les machines industrielles ont une taille de construction plus grande.

• Pour éviter le gauchissement, évitez les grandes surfaces planes et ajoutez des congés aux angles vifs.

• Le FDM est intrinsèquement anisotrope, il ne convient donc pas aux composants mécaniques critiques.

• La taille minimale des machines FDM est limitée par le diamètre de la buse et l'épaisseur de la couche.

• L'extrusion de matériau rend impossible la production de caractéristiques verticales (dans la direction Z) avec une géométrie inférieure à la hauteur de la couche (généralement 0,1 à 0,2 mm).

• FDM ne peut généralement pas produire de caractéristiques planes (sur le plan XY) inférieures au diamètre de la buse (0,4 - 0,5 mm).

• Les parois doivent être au moins 2 à 3 fois plus grandes que le diamètre de la buse (c'est-à-dire 0,8 à 1,2 mm).

• Si vous cherchez à produire des surfaces lisses et des caractéristiques très fines, vous aurez peut-être besoin d'un post-traitement supplémentaire, comme le sablage et l'usinage. Une autre technologie AM comme SLA peut être plus appropriée dans ce cas.

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Questions fréquemment posées

Quels sont les avantages de l'impression 3D FDM ?

Le FDM est plus rentable que n'importe quelle technologie de fabrication additive et utilise une grande variété de matériaux thermoplastiques. La fabrication avec FDM signifie également des délais plus courts.

Quels sont les inconvénients de l'impression 3D FDM ?

Bien que le FDM soit très rentable, il a également la résolution la plus faible par rapport aux autres technologies d'impression 3D. Cela en fait une option moins viable pour les pièces avec de très petits détails.

FDM nécessite-t-il un post-traitement ?

Les pièces imprimées à l'aide de FDM sont susceptibles d'avoir des lignes de calque visibles, un post-traitement est donc nécessaire pour donner aux pièces une finition lisse.  

Quelle est la précision du FDM ?

En général, la précision des pièces dépend de la façon dont vous avez calibré votre imprimante FDM et de la complexité de votre modèle. Les imprimantes FDM industrielles produisent des pièces avec plus de précision que les machines de bureau, mais la technologie des imprimantes 3D domestiques rattrape rapidement son retard.

Quel est le prix du FDM ?

Le FDM est le moyen le plus rentable de produire des pièces thermoplastiques personnalisées et des prototypes sur le marché aujourd'hui. Desktop FDM est l'option la plus rentable, mais produit des pièces de qualité inférieure à son homologue industriel.

Quels sont les matériaux disponibles pour le FDM ?

Une large gamme de matériaux est disponible pour le FDM, notamment le PLA, l'ABS, le TPU, le PETG et le PEI.

Quelle est la vitesse du FDM ?

La production de pièces personnalisées avec FDM est relativement rapide, les délais d'exécution ayant tendance à être courts (généralement quelques jours seulement).

À quoi sert principalement le FDM ?

La technologie FDM a tendance à être la plus appropriée pour les applications de prototypage, de modélisation et de fabrication à faible volume. Le FDM à l'échelle industrielle peut être utilisé pour les prototypes fonctionnels et les pièces d'utilisation finale, entre autres applications.

Pourquoi le FDM est-il actuellement la technologie d'impression 3D la plus populaire ?

Les imprimantes FDM produisent des pièces de haute qualité à partir de matériaux durables, capables de conserver de bonnes propriétés mécaniques. Les deux types de machines FDM offrent une précision dimensionnelle élevée, et même au niveau industriel, le FDM a tendance à être plus rentable que les autres processus AM.