Extrusion de matériaux dans l'impression 3D :définition, historique, applications et flux de travail

Dans le contexte de l'impression 3D, l'extrusion est le processus par lequel une bouillie ou une pâte semi-liquéfiée est pressée à travers un orifice ou une filière pour former une ligne de forme cylindrique (ou autre) du matériau. Il durcit ou durcit ensuite, permettant ainsi de poser une nouvelle couche de matériau extrudé sur le dessus. La modélisation des dépôts fondus (FDM) et la fabrication de filaments fondus (FFF) s'impriment à l'aide de 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 beaucoup plus précise et flexible. L'extrusion de matériaux peut utiliser une grande variété de matériaux tels que des filaments polymères, des granulés de polymère, des filaments et des granulés de cire, des boues céramiques et des filaments de poudre métallique liés par des polymères.

Cet article définira et discutera du processus, de l'historique et des applications de l'extrusion de matériaux en ce qui concerne l'impression 3D.

Qu'est-ce que l'extrusion de matériaux dans l'impression 3D ?

Dans le domaine de l’impression 3D, le processus d’extrusion consiste à pousser un matériau prêt à coller à travers une buse chauffée afin de le déposer en couches successives. Chaque calque est en fait une « tranche » 2D de l’objet 3D. La plupart des imprimantes chauffent un polymère ou une cire jusqu'à obtenir un état semblable à un gel afin de rendre le matériau imprimable. Ces matériaux peuvent être modifiés avec des additifs qui leur confèrent des propriétés souhaitables soit à l'état gélifié (c'est-à-dire des 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 dans l'extrusion de matériaux ?

Les machines d'extrusion de matériaux peuvent être conçues pour imprimer les éléments suivants :

1. Les polymères tels que le PLA, l'ABS, l'ASL et le nylon sont courants et reçoivent une large gamme d'additifs. D'autres sont techniquement des cires, mais elles fonctionnent à peu près de la même manière que les polymères.
2. Les céramiques sont imprimées en 3D pour former des poteries (généralement artistiques). Les buses à cet effet sont 10 à 50 fois plus grandes que les extrudeuses de plastique.
3. Le béton et divers matériaux de construction ont récemment retenu l'attention en tant qu'options d'impression 3D. L'idée est d'imprimer des bâtiments entiers, et le processus diffère du FDM principalement par son échelle.

Où l'extrusion de matériaux est-elle utilisée ?

L'extrusion de matériaux est principalement utilisée dans le prototypage FDM. Cette méthode de fabrication additive est plus populaire que d’autres à cet effet car c’est l’option la moins chère et la plus accessible. Les prototypes FDM sont utilisés dans diverses industries, notamment le marketing et le développement de produits. Les pièces sont produites rapidement et sont généralement suffisamment fonctionnelles pour que les développeurs puissent tester les fonctionnalités (à condition qu'elles ne soient pas inférieures à 1 à 2 mm). Cependant, les prototypes ne sont pas des pièces hautes performances.

Quand la première technologie d'extrusion de matériaux est-elle apparue ?

La technologie d’extrusion de matériaux a été prédite pour la première fois par un auteur de science-fiction, Murray Leinster, dans sa nouvelle de 1945 « Things Pass By ». Le processus réel, cependant, a pris une forme pratique à la fin des années 1980 et a été commercialisé par Stratasys. C'est devenu l'épine dorsale du secteur de l'impression 3D.

Quel est le nom enregistré pour l'extrusion de matériaux ?

Stratasys a enregistré l'extrusion de matériaux sous le nom de « modélisation par dépôt par fusion » ou FDM. Bien que les brevets aient expiré, ils ont toujours des droits sur le nom, même si Stratasys ne semble pas le contrôler de près. De nombreux autres fabricants appellent leur procédé « fabrication de filaments fondus » (FFF), même si le surnom FDM est plus largement compris. 

Qu'est-ce que le processus d'extrusion de matériaux ?

L’extrusion de matériaux dans le domaine de l’impression 3D consiste à forcer une matière première polymère ou cire à travers une buse à température contrôlée. Cela ramollit le matériau jusqu'à un état fluide visqueux ou presque fluide afin qu'il puisse être appliqué à une table de construction ou à une couche de modèle imprimé existante. Chaque couche est effectivement bidimensionnelle, mais elles se combinent pour créer une construction 3D.

Le polymère (ou 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 au point de s'écouler loin du point d'application. Le matériau extrudé refroidit ensuite rapidement et se solidifie afin que la couche suivante puisse être appliquée dessus.

Quels sont les avantages de l'extrusion de matériaux ?

L'extrusion de matériaux, telle qu'elle s'applique à l'impression 3D FDM/FFF, offre plusieurs avantages :

1. Les polymères peuvent être imprimés à basse température, le matériel d'impression est donc simple et peu coûteux. 
2. Très peu de maintenance des processus est nécessaire. Une fois les paramètres de la machine 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. Ils sont disponibles auprès d'un large éventail de fournisseurs concurrents.
4. Les modèles peuvent atteindre des normes cosmétiques et mécaniques suffisantes pour être utiles dans un large éventail d'applications.
5. Les imprimantes FDM/FFF sont moins chères et fonctionnent avec des frais généraux inférieurs à ceux des autres imprimantes 3D. Cela leur donne les prix les plus bas de tous les systèmes d'impression 3D.

Quels sont les inconvénients de l'extrusion de matériaux ?

Les inconvénients de l'extrusion de matériaux sont :

1. Les pièces imprimées par extrusion de matériau peuvent présenter seulement 20 % de la résistance typique du matériau. Les modèles ont tendance à être intrinsèquement faibles.
2. La finition cosmétique laisse souvent beaucoup à désirer. FDM ne peut pas imprimer à haute résolution ni dans la direction X-Y ni dans l'axe Z. Un équipement plus cher vaut mieux que des systèmes moins chers. Le processus est cependant mieux adapté aux modèles relativement grossiers qui manquent de détails fins et ne nécessitent pas de finitions de surface précises. 
3. Étant donné que le matériau est chaud lorsqu'il est appliqué, de nombreux modèles conservent des contraintes internes qui les déforment lorsqu'ils refroidissent. Les imprimantes les plus chères sont dotées de chambres de fabrication chauffées qui peuvent contribuer à réduire cet effet.
4. La liaison intra-couche est assez médiocre dans certains matériaux. Il en résulte des propriétés fortement anisotropes. Certains matériaux adhèrent mieux que d’autres, mais leurs propriétés doivent toujours faire l’objet de compromis. 

Quelle est la différence entre le jet de matériau et l'extrusion de matériau ?

Le jet de matière et l'extrusion de matière diffèrent de plusieurs manières :

1. Processus : L'extrusion applique un matériau partiellement fondu sous forme de lignes et de points. Il a une résolution de point minimale comprise entre 0,5 mm et 1 mm de diamètre (en fonction de l'imprimante et du plastique ou de la cire spécifique). Les processus de jet de matériaux sont d'un ordre de grandeur plus précis, appliquant des résines liquides avec une taille de point souvent inférieure à 0,05 mm.
2. Construction de couches : Les systèmes basés sur l'extrusion utilisent une seule buse applicatrice (à tout moment) pour construire un modèle, ce qui limite la vitesse de construction. Les processus de jet de matériau utilisent des têtes d'impression à jet d'encre jusqu'à 100 mm de large pour « dessiner » de larges bandes d'une couche en un seul passage sur table. Cette largeur supplémentaire rend la construction de chaque couche considérablement plus rapide.
3. Constructions de couche Z : Les systèmes basés sur l'extrusion ont l'avantage de construire des couches relativement épaisses. Ceux-ci sont rarement inférieurs à 0,1 mm et peuvent souvent atteindre 0,5 mm d'épaisseur. Les épaisseurs de couche Material Jetting sont généralement comprises entre 16 µm et 50 µm. Cela signifie que davantage de couches sont nécessaires pour atteindre la hauteur Z, ce qui rend les constructions globalement plus lentes, malgré le fait que chaque couche s'imprime rapidement.
4. Coût de l'équipement : La technologie FDM/FFF basée sur l'extrusion est simple, ce qui fait de ces machines l'une des imprimantes 3D les moins chères. Le jet de matériaux est délicat et complexe, de sorte que l'équipement est généralement 1 à 2 fois plus cher que le FDM/FFF.

Résumé

Cet article passe en revue le concept d’extrusion de matériaux tel qu’il s’applique à la technologie d’impression 3D. Pour en savoir plus sur l'extrusion de matériaux et déterminer s'il s'agit de la bonne technologie pour votre application, contactez un représentant Xometry.

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