Extrusion de Matière en Impression 3D : Définition, Histoire, Applications et Flux de Travail

Dans le contexte de l'impression 3D, l'extrusion est le processus par lequel une bouillie ou pâte semi-liquéfiée est pressée à travers un orifice ou une filière pour former une ligne cylindrique (ou autre forme) de matériau. Elle durcit ou polymérise, permettant de déposer une nouvelle couche de matière extrudée par-dessus. La modélisation par dépôt de filament fondu (FDM) et la fabrication par filament fondu (FFF) impriment toutes deux avec cette technique.

Bien que la première version du procédé FDM de S. Scott Crump utilisait un pistolet à colle, la technologie a été affinée pour devenir bien plus précise et flexible. L'extrusion de matière peut employer une grande variété de matériaux : filaments polymères, granulés polymères, filaments et granulés de cire, bouillies céramiques, filaments de poudre métallique liée par polymère.

Cet article définit et discute le processus, l'histoire et les applications de l'extrusion de matière en impression 3D.

Qu'est-ce que l'Extrusion de Matière en Impression 3D ?

Dans le domaine de l'impression 3D, le processus d'extrusion signifie pousser du matériau prêt à lier à travers une buse chauffée pour le déposer en couches successives. Chaque couche est effectivement une « tranche » 2D de l'objet 3D. La plupart des imprimantes chauffent un polymère ou une cire à un état gélatineux pour le rendre imprimable. Ces matériaux peuvent être modifiés avec des additifs leur donnant des propriétés souhaitables soit à l'état gélifié (contrôleurs de viscosité) soit à l'état solide.

Pour plus d'informations, consultez notre guide sur ce qu'il faut savoir sur les imprimantes 3D.

Quels Matériaux sont Utilisés en Extrusion de Matière ?

Les machines à extrusion de matière peuvent être conçues pour imprimer :

1. Polymères comme PLA, ABS, ASL et nylon sont courants et reçoivent une large gamme d'additifs. Certains autres sont techniquement des cires mais fonctionnent de manière très similaire aux polymères.
2. Céramiques imprimées en 3D pour former de la poterie (généralement artistique). Les buses pour cet usage sont 10 à 50 fois plus grosses que les extrudeurs plastique.
3. Béton et divers matériaux de construction ont récemment attiré l'attention comme options d'impression 3D. L'idée est d'imprimer des bâtiments entiers ; le processus diffère du FDM principalement par l'échelle.

Où l'Extrusion de Matière est-elle Utilisée ?

L'extrusion de matière est principalement utilisée pour le prototypage FDM. Cette méthode de fabrication additive est plus populaire que les autres à cet effet car c'est la moins chère et la plus accessible. Les prototypes FDM sont utilisés dans divers secteurs, dont le marketing et le développement produit. Les pièces sont produites rapidement et sont généralement assez fonctionnelles pour que les développeurs testent des fonctionnalités (tant qu'elles ne sont pas plus petites que 1-2 mm). Les prototypes ne sont pas des pièces haute performance, toutefois.

Quand la Première Technologie d'Extrusion de Matière est-elle Apparue ?

La technologie d'extrusion de matière a d'abord été prédite par un auteur de science-fiction, Murray Leinster, dans sa nouvelle de 1945 « Things Pass By ». Le vrai processus a pris forme pratique à la fin des années 1980 et a été commercialisé par Stratasys. Cela est devenu le pilier du secteur de l'impression 3D.

Quel est le Nom Déposé pour l'Extrusion de Matière ?

Stratasys a déposé l'extrusion de matière sous le nom « Fused Deposition Modeling » (FDM). Bien que les brevets aient expiré, ils conservent les droits sur le nom, bien que Stratasys ne semble pas le surveiller de près. De nombreux autres fabricants appellent leur processus « Fused Filament Fabrication » (FFF) même si le nom FDM est plus largement compris.

Quel est le Processus d'Extrusion de Matière ?

L'extrusion de matière en impression 3D implique de forcer une matière première polymère ou cire à travers une buse à température contrôlée. Cela ramollit le matériau à un état visqueux ou quasi-fluide pour l'appliquer sur une table de construction ou une couche de modèle déjà imprimée. Chaque couche est effectivement bidimensionnelle, mais elles se combinent pour créer une construction 3D.

Le polymère (ou la cire) est chauffé dans la buse jusqu'à atteindre un état gélifié. Le matériau doit être suffisamment fondu pour fléchir et se lier aux matériaux environnants (plus froids) mais pas si liquide qu'il s'écoule du point d'application. Le matériau extrudé refroidit et se solidifie rapidement pour que la couche suivante puisse être appliquée par-dessus.

Avantages de l'Extrusion de Matière

L'extrusion de matière, appliquée à l'impression 3D FDM/FFF, offre plusieurs avantages :

1. Les polymères s'impriment à basses températures, donc l'équipement est simple et peu coûteux.
2. Très peu de maintenance de processus n'est nécessaire. Une fois les réglages optimisés, une imprimante peut fonctionner sans surveillance pendant de très longues périodes.
3. Les matériaux extrudables sont parmi les moins chers du secteur de l'impression 3D, disponibles auprès de nombreux fournisseurs concurrents.
4. Les modèles peuvent atteindre des standards cosmétiques et mécaniques suffisants pour être utiles dans une large gamme d'applications.
5. Les imprimantes FDM/FFF sont moins chères et fonctionnent avec des coûts généraux inférieurs aux autres imprimantes 3D, leur donnant les prix les plus bas de tout système d'impression 3D.

Inconvénients de l'Extrusion de Matière

Les inconvénients de l'extrusion de matière sont :

1. Les pièces imprimées par extrusion de matière peuvent exhiber aussi peu que 20 % de la résistance typique du matériau. Les modèles tendent à être intrinsèquement faibles.
2. La finition cosmétique laisse souvent à désirer. Le FDM ne peut pas imprimer à haute résolution ni en direction X-Y ni en axe Z. L'équipement plus cher est meilleur que les systèmes bon marché. Le processus convient mieux aux modèles relativement grossiers sans détails fins ni finitions de surface précises.
3. Comme le matériau est chaud quand appliqué, de nombreux modèles conservent des contraintes internes qui les déforment en refroidissant. Les imprimantes plus chères ont des chambres de construction chauffées qui aident à réduire cet effet.
4. La liaison inter-couches est assez faible dans certains matériaux, résultant en propriétés sévèrement anisotropes. Certains matériaux lient mieux que d'autres, mais il y a toujours des compromis dans leurs propriétés.

Différence entre Jet de Matière et Extrusion de Matière

Le jet de matière et l'extrusion de matière diffèrent en plusieurs points :

1. Procédé : L'extrusion applique du matériau partiellement fondu en lignes et points. Résolution ponctuelle minimale entre 0,5 mm et 1 mm de diamètre (selon imprimante et plastique/cire spécifique). Le jet de matière est d'un ordre de grandeur plus précis, appliquant des résines liquides avec une taille de point souvent < 0,05 mm.
2. Construction de Couche : Les systèmes par extrusion utilisent une buse applicatrice unique (à un moment donné) pour construire un modèle, limitant la vitesse. Les procédés par jet de matière utilisent des têtes d'impression jet d'encre jusqu'à 100 mm de large pour « dessiner » de larges bandes d'une couche en un seul passage. Cette largeur supplémentaire rend la construction de chaque couche considérablement plus rapide.
3. Construction en Z : Les systèmes par extrusion ont l'avantage de construire des couches relativement épaisses, rarement < 0,1 mm et souvent jusqu'à 0,5 mm. Les épaisseurs de couche en jet de matière sont généralement de 16 à 50 µm. Plus de couches sont nécessaires pour construire la hauteur Z, rendant les constructions généralement plus lentes globalement, malgré le fait que chaque couche s'imprime vite.
4. Coût de l'Équipement : La technologie FDM/FFF par extrusion est simple, rendant les machines parmi les moins chères de toutes les imprimantes 3D. Le jet de matière est délicat et complexe, donc l'équipement est généralement 1 à 2 ordres de grandeur plus cher que FDM/FFF.

Résumé

Cet article a passé en revue le concept d'extrusion de matière appliqué à la technologie d'impression 3D. Pour en savoir plus sur l'extrusion de matière et déterminer si c'est la bonne technologie pour votre application, contactez un représentant Xometry.

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