News Mardi 24 février 2015 - 16:52

Le procédé d’impression 3D FDM ou FFF (par dépôt de matière fondue)

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L’impression 3D par dépôt de matière fondue est plus connue sous le nom de FDM ou Fused Deposition Modeling. On la retrouve également sous le nom de FFF ou Fused Filament Fabrication*. Cette technologie a été inventée par S. Scott Crump, fondateur de la société Stratasys, en 1988. L’idée lui est venue lorsqu’il décida de fabriquer un jouet pour sa fille en utilisant un pistolet à colle chaude. Quelques années après, ce procédé est devenu la technologie d’impression 3D la plus répandue, notamment chez les particuliers. Il consiste à déposer un matériau fondu, type plastique, par couches successives via une extrudeuse qui se déplace et construit un objet physique en suivant un dessin défini par un fichier CAO. Explication !

Le fonctionnement du procédé d'impression 3D FDM

Après la stéréolithographie (SLA) qui utilise un laser ou une lumière afin de transformer une résine liquide, le procédé d’impression 3D par dépôt de matière fondue (FDM-FFF) est la technique la plus ancienne. Il a notamment été popularisée par le développement d’imprimantes de bureau à faible prix pour les professionnels et les particuliers, mais aussi par son accessibilité en open source sur Internet. Souvent considérée comme la technologie la plus simple en fabrication additive, l’impression 3D repose sur trois éléments pour imprimer des objets : un plateau d’impression, une bobine de filament et une tête d’impression également appelée « extrudeur » ou « buse d’extrusion ». Cette technique fonctionne par dépôts successifs de couches d’un matériau plastique ou composite. Le matériau est chauffé, fondue et déposé par une tête d’impression, guidée par un moteur, en suivant un chemin défini par un fichier CAO (conception assistée par ordinateur). L’objet est donc construit couche après couche, de la base au sommet. Pour imprimer certaines pièces, il peut être nécessaire d’insérer des supports de conception. Ceux-ci sont prédéfinis dans le fichier de conception. Des matériaux spécifiques ont été développés pour les supports, comme des polymères solubles dans l’eau. Il est alors possible avec des imprimantes possédant plusieurs buses d’extrusion d’imprimer en même temps l’objet et ses supports. 

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Les principaux avantages de la technologie FDM 

Les principaux avantages de la technologie FDM réside dans sa simplicité d’utilisation, le faible prix de certaines imprimantes, ainsi que le faible coût de production par pièce. Les applications sont nombreuses et s’ouvrent à un grand nombre d’utilisateurs dont les particuliers, les artistes, les industriels ou encore les bureaux d’études, d’architecture et de designs. Cette technologie continue donc de se développer. Les imprimantes 3D sont de plus en plus rapides avec plus de têtes d’impression. Il est possible d’imprimer des objets de plus en plus grands. Les matériaux proposés sont de plus en plus nombreux et à des prix abordables. De nombreux filaments sont également conçus sur mesure pour des usages – souvent industriels – spécifiques. 

Les principaux freins du procédé FDM

Le principal frein du procédé reste la précision qui n’est pas toujours convenable ou appropriée à son application. Celui-ci présente la résolution et la précision la plus basse, en comparaison d’autres procédés tels que le SLA (stéréolithographie), le SLS (frittage sélectif par laser) ou les techniques de jet d’encre. Il est toutefois possible de compenser un peu cette imperfection et d’obtenir une meilleure finition par des procédés de polissage chimiques ou mécaniques. 

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Les matériaux pour le procédé FDM

Les matériaux utilisés par l’impression 3D FDM sont généralement des polymères*, comme le PLA, l’ABS, le polycarbonate PC, le PET, le PS, l’ASA, le PVA, le nylon, l’ULTEM, ou des matériaux composites résiné, à base de métal, de verre, de carbone, de pierre, de bois, ainsi que des thermoplastiques techniques pour des applications spécifiques dans les secteurs : aéronautique, médical, automobile, électronique et autres. Vendus en bobine, les fils sont généralement de 1,75 mm ou 3 mm d’épaisseur. Ils offrent des propriétés de modélisation intéressante, un large choix de couleurs et même la possibilité d’imiter des textures comme le bois, la pierre, la céramique, etc. Ces propriétés telles que la résistance, la tenue à la chaleur ou à la lumière, varieront en fonction du plastique choisi, mais également de l’architecture de la pièce. 

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Le polymère et les composites ne sont pas les seuls matériaux imprimables en FDM. En changeant la tête d’impression par une seringue, il est également possible d’imprimer d’autres matériaux comme du silicone, des aliments ou des cellules souches pour la bio-impression.

Lutte de marché

À la suite de sa fabuleuse idée (présentée en introduction), S. Scott Crump et sa femme Lisa Crump créèrent en 1988 la société Stratasys. L’entreprise déposa le nom de « Filament Deposition Manufacturing » (FDM), ce qui obligea la concurrence à rechercher un autre nom. Le terme « deposition » fut donc remplacé par celui de « fusion » pour devenir Fused Filament Fabrication (FFF)*. Parmi les leaders sur ce marché, on retrouve évidemment Stratasys qui fut le premier acteur de ce procédé, mais également l’entreprise 3D Systems, autre géant dans le domaine de la fabrication additive, avec son modèle Cube. La société RepRap connaît également une place importante dans le développement de la technologie FDM notamment parce que son inventeur Adrian Bowyer a publié en open sourceles plans de fabrication de sa machine RepRap, créant ainsi une communauté de créateurs d’imprimantes 3D. Après eux, de nombreuses sociétés et start-up se sont créer et se développent, comme la société MakerBot avec son modèle Replicator qui fut rachetée, en 2013, par Stratasys. Les prix des imprimantes varient énormément, de quelques centaines d’euros à plusieurs milliers. 

Contenu Encadré

Les avantages de l’impression 3D FDM pour l’outillage

Comment réaliser une économie de temps et d’argent en produisant des outils de fabrication personnalisés, au moyen du procédé de modélisation par dépôt de fil en fusion ? En substituant, simplement, l’impression 3D à des méthodes actuelles de fabrication de gabarits et de fixations, il est possible de réduire les coûts et d’accélérer la production. Ces seuls avantages justifient aisément l’utilisation de systèmes de fabrication additive, notamment grâce à la rapidité d’approvisionnements. Mais c’est ignorer l’impact important sur toute l’activité : l’impression 3D abaisse le seuil auquel un nouvel outil se justifie, ce qui permet de répondre à des besoins non satisfaits tout au long du processus de production :

  • réduction des rebuts et du ré-usinage ;
  • réduction de la main-d’œuvre nécessaire ;
  • optimisation des procédés ;
  • amélioration du contrôle et de la répétabilité d’un processus.

L’impression 3D abaisse le seuil de justification en augmentant le retour sur investissement et en réduisant les obstacles entre l’idée et la solution. Cette technologie simplifie le processus, réduit le coût et diminue les délais. Par exemple, avec la technologie de modélisation FDM comme approche de fabrication additive de gabarits et de fixations, le processus ne compte que trois étapes : préparation du fichier CAO, fabrication de l’outil et post-traitement de la pièce. À la différence de la fabrication classique, la technologie FDM ne requiert que peu d’expérience et une main d’œuvre minimale. Dans de nombreux cas, les gabarits et fixations ne demandent pas plus de 15 minutes de travail…

Retrouvez l’ensemble de l’article « Les outillages en thermoplastiques hautes performances en fabrication additive » ici.

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Organe de préhension comportant des canaux sous vide internes sans tuyau externe.

*FDM ou FFF

Le terme « Filament Deposition Manufacturing » (FDM) ayant été breveté par la société Stratasys, les sociétés concurrentes ont dû un autre nom. La technique d'impression 3D par dépôt de matière fondue est ainsi devenue : Fused Filament Fabrication(FFF). Comme ce nom l’indique, l’imprimante déroule un fil de polymère, comme de l’ABS ou du PLA, et le chauffe à haute température via une buse (extrudeur ou tête d'extrusion) pour ensuite le déposer en couches successives en suivant le fichier 3D CAO.

*Les polymères en fabrication additive

Les polymères sont les matériaux les plus utilisés dans les technologies de fabrication additive. Ils présentent des caractéristiques très différentes en termes de propriétés physiques, de couleurs, de transparence, de biocompatibilité, de résistance, de rigidité, de dureté, d’élasticité, etc. Ils ne se présentent pas uniquement sous forme de fils, mais également en poudre ou granulé. Aussi appelés « polymères », ils sont divisés en plusieurs catégories : le filament pour les procédés FDM (Fused Deposition Modeling) ou la poudre pour la technologie SLS (Selective Laser Sintering). Le plastique possède les caractéristiques de pouvoir être refondu, photosensibles, ou malléables à des températures basses. Découvrez les 10 thermoplastiques les plus utilisés en impression 3D. 

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