L'impression 3D par dépôt de fil fondu, également connue sous les acronymes FDM ou FFF, est une technologie révolutionnaire inventée par Scott Crump en 1989. Cette méthode repose sur des principes fondamentaux tels que le plateau d'impression, la bobine de filament et l'extrudeur. Découvrez dans ce guide complet les matériaux utilisés, les paramètres clés influençant la qualité d'impression ainsi que les avantages et défis de cette technique.
📅 Bon à savoir
L'impression 3D par dépôt de fil fondu a été inventée en 1989 par Scott Crump, co-fondateur de l'entreprise Stratasys. Cette date marque le début d'une révolution dans le domaine de la fabrication additive, ouvrant la voie à de nombreuses applications dans divers secteurs.
Introduction à l'impression par dépôt de fil fondu
L'impression 3D par dépôt de matière fondue, aussi connue sous le nom de FDM (Fused Deposition Modeling) ou FFF (Fused Filament Fabrication), est une technologie d'impression 3D très répandue, que ce soit pour un usage amateur ou professionnel. Inventé et breveté en 1989 par Scott Crump, fondateur de l'entreprise Stratasys, ce procédé s'est démocratisé au fil des années pour devenir l'un des plus accessibles du marché.
Historique du dépôt de matière fondue
Le fonctionnement de la stéréolithographie diffère du FDM qui a été commercialisé pour la première fois en 1990 par Stratasys. L'acronyme FDM étant une marque déposée, il ne pouvait être utilisé que par cette société. C'est pourquoi en 2005, lors du lancement du projet RepRap par Adrian Bowyer visant à développer une imprimante 3D open-source et auto-réplicante, le terme FFF a été créé pour désigner le même procédé.
La principale différence entre les deux appellations réside dans le fait que les premières machines Stratasys utilisaient des granulés de matière alors que les imprimantes RepRap se basaient sur des filaments, d'où le terme "Fused Filament Fabrication". Techniquement, FDM et FFF désignent exactement le même procédé de fabrication additive.
Principes de fonctionnement de l'impression FDM
Une imprimante 3D à dépôt de matière fondue comprend 5 éléments principaux :
- Un plateau d'impression sur lequel est fabriquée la pièce
- Une bobine qui fournit le filament thermoplastique servant de matière première
- Un extrudeur composé d'un moteur permettant d'entraîner le filament
- Un système de déplacement de la tête d'impression selon les axes X, Y et Z
- Une buse chauffante qui fait fondre le filament et le dépose couche par couche
Le filament est inséré dans l'imprimante puis acheminé jusqu'à la tête d'impression par l'extrudeur. La buse chauffante fait fondre le matériau thermoplastique à une température généralement comprise entre 180°C et 250°C. Le plastique fondu est alors déposé de manière précise sur le plateau d'impression pour former la première couche de l'objet. La tête se déplace ensuite pour appliquer les couches suivantes, le plateau descendant progressivement. Un ventilateur permet de refroidir et solidifier rapidement chaque couche déposée.
Applications et usages courants
Le dépôt de fil fondu est massivement utilisé pour le prototypage rapide, permettant d'obtenir des pièces fonctionnelles à moindre coût et dans des délais réduits. Ce procédé est aussi de plus en plus employé pour fabriquer directement des produits finis.
Certains des domaines d'application principaux de l'impression FDM sont :
- La conception de produits et le prototypage fonctionnel
- L'outillage, les moules et les gabarits
- Les pièces finales pour l'industrie, l'aéronautique, l'automobile
- Les prothèses médicales et dentaires personnalisées
- Les maquettes pour l'architecture et la construction
- Les jouets, figurines et objets de décoration
La simplicité d'utilisation et le faible coût des imprimantes FDM en font une technologie de choix pour s'initier à l'impression 3D et réaliser une grande variété de projets, que ce soit à titre personnel, éducatif ou professionnel. Néanmoins, la précision et la qualité de surface plus limitées que d'autres procédés réservent plutôt le FDM aux applications ne nécessitant pas un rendu parfait.
Matériaux et paramètres importants
L'impression par dépôt de fil fondu (FDM) est compatible avec une large gamme de matériaux thermoplastiques. Le choix du matériau et le réglage des paramètres d'impression sont essentiels pour obtenir des pièces de qualité, aux propriétés mécaniques et esthétiques désirées.
Les principaux matériaux utilisés en FDM
Parmi les nombreux thermoplastiques compatibles avec l'impression FDM, certains sont plus couramment utilisés :
- Le PLA (acide polylactique): biodégradable et facile à imprimer, c'est le matériau le plus populaire pour les débutants. Il offre une bonne précision mais des propriétés mécaniques limitées.
- L'ABS (acrylonitrile butadiène styrène): plus technique que le PLA, il est apprécié pour sa résistance et sa durabilité. L'ABS nécessite des températures plus élevées et peut se rétracter lors du refroidissement.
- Le PETG (polyéthylène téréphtalate glycolisé): aux propriétés intermédiaires entre le PLA et l'ABS, il allie facilité d'impression et robustesse.
- Les matériaux techniques (Nylon, PC, PEEK...): plus exigeants à mettre en œuvre, ils permettent d'atteindre des propriétés mécaniques et thermiques supérieures pour des applications avancées.
Influence des paramètres d'impression
Au-delà du choix du matériau, plusieurs paramètres clés influencent la qualité d'impression en FDM :
Le diamètre de la buse
Plus la buse est fine, meilleure est la résolution. Les diamètres standards sont 0.4mm, 0.6mm et 0.8mm. Une buse de 0.4mm offre un bon compromis entre rapidité et niveau de détails.
L'épaisseur de couche
Directement liée au diamètre de la buse, l'épaisseur de couche détermine la finesse des détails et l'aspect de surface. En diminuant la hauteur de couche, on améliore la qualité au détriment de la vitesse d'impression. Des hauteurs comprises entre 50% et 75% du diamètre de buse sont recommandées.
| Diamètre buse | Hauteur de couche min | Hauteur de couche max |
|---|---|---|
| 0.4 mm | 0.1 mm | 0.3 mm |
| 0.6 mm | 0.2 mm | 0.4 mm |
| 0.8 mm | 0.3 mm | 0.6 mm |
L'orientation des pièces
Orienter astucieusement ses pièces permet de minimiser les supports, d'optimiser la résistance dans le sens des contraintes et d'éviter les défauts sur les surfaces importantes.
Bien choisir ses matériaux et maîtriser les réglages essentiels permet ainsi de tirer le meilleur parti de l'impression 3D FDM, pour produire des pièces performantes et esthétiques.
Avantages et défis
La technologie d'impression 3D par dépôt de fil fondu (FDM) présente de nombreux avantages qui en font l'une des méthodes de fabrication additive les plus répandues, notamment pour le prototypage rapide et la production de pièces fonctionnelles. Cependant, elle comporte également certains défis à prendre en compte pour obtenir des résultats optimaux.
Accessibilité et diversité des matériaux
L'un des principaux atouts du FDM est son accessibilité, aussi bien en termes de coût que de facilité d'utilisation. Les imprimantes 3D à dépôt de fil fondu font partie des moins chères du marché et sont relativement simples à prendre en main, même pour un débutant. De plus, cette technologie est compatible avec une large gamme de matériaux thermoplastiques sous forme de filaments, des plus courants comme le PLA et l'ABS aux polymères techniques hautes performances en passant par les composites chargés de fibres ou de poudres métalliques.
Voici quelques-uns des filaments les plus utilisés en FDM et leurs propriétés :
| Matériau | Caractéristiques | Applications |
|---|---|---|
| PLA | Biodégradable, rigide, facile à imprimer | Prototypage, objets du quotidien |
| ABS | Résistant, durable, sensible au retrait | Pièces mécaniques, maquettes |
| PETG | Résistant aux chocs et produits chimiques | Pièces fonctionnelles, emballages |
| Nylon | Flexible, résistant à l'abrasion et la chaleur | Pièces d'usure, flexibles |
Production de pièces fonctionnelles
Au-delà du simple prototypage, le FDM permet également de fabriquer directement des produits finis prêts à l'emploi. En choisissant le bon matériau et en optimisant les paramètres d'impression, il est possible d'obtenir des pièces aux propriétés mécaniques suffisantes pour un usage fonctionnel. L'impression 3D FDM est ainsi de plus en plus utilisée pour la production de petites séries, de pièces de rechange ou encore pour la personnalisation de masse.
Défis liés à l'intégrité structurelle
La méthode de fabrication couche par couche du FDM peut cependant poser quelques problèmes en termes d'intégrité structurelle des pièces réalisées. Contrairement aux méthodes de moulage traditionnelles qui donnent des pièces pleines et homogènes, les objets imprimés en FDM comportent de nombreux vides entre les cordons de matière déposés. Cela les rend intrinsèquement plus fragiles et anisotropes, avec une résistance moindre dans l'axe vertical (Z).
En outre, les effets de la gravité peuvent déformer les zones non supportées pendant l'impression, créant des défauts. Il est donc souvent nécessaire de générer des supports qui devront être retirés par post-traitement, laissant des marques sur la surface. Pour minimiser ces problèmes, il faut bien choisir l'orientation des pièces et optimiser les paramètres comme le remplissage.
Post-traitements requis
Même en optimisant l'impression, un certain niveau de post-traitement est généralement inévitable avec la technologie FDM. Outre le retrait manuel des supports, il faut souvent poncer, mastiquer et peindre les pièces pour obtenir un rendu final satisfaisant, en particulier au niveau de l'état de surface. Les lignes de couches restent souvent visibles et donnent un aspect "escalier" aux surfaces courbes.
Différentes techniques permettent d'améliorer l'apparence des pièces imprimées en FDM :
- Ponçage au papier abrasif de plus en plus fin
- Bains de vapeur d'acétone (pour l'ABS)
- Application d'apprêts et de peintures
- Traitements de surface par électrodéposition
En conclusion, la technologie d'impression 3D par dépôt de fil fondu offre une grande accessibilité et polyvalence qui en font un choix de premier plan pour le prototypage et la production. Ses principaux défis concernent les limitations en termes d'intégrité structurelle et de qualité de surface, nécessitant souvent des post-traitements. En comprenant bien ses forces et faiblesses, il est possible de tirer le meilleur parti du FDM pour réaliser une grande variété de projets.
Perspectives futures et marchés émergents
Le dépôt de fil fondu (FDM) est aujourd'hui la technologie d'impression 3D la plus répandue, grâce à son accessibilité et sa simplicité d'utilisation. Au fil des années, cette technologie n'a cessé de progresser et d'élargir son champ d'application, des simples prototypes aux pièces fonctionnelles avancées. Mais quelles sont les perspectives futures pour le FDM et quels marchés émergents cette technologie va-t-elle conquérir dans les années à venir ?
De nouvelles innovations pour repousser les limites du FDM
Les fabricants d'imprimantes 3D FDM ne cessent d'innover pour améliorer les performances de leurs machines. Parmi les axes de développement actuels, on peut citer :
- L'augmentation des volumes d'impression, avec des machines capable d'imprimer des objets de plus d'1 mètre de haut
- La hausse des vitesses d'impression, multipliées par 5 à 10 sur certaines nouvelles imprimantes
- L'amélioration de la précision, avec des résolutions de couches pouvant descendre jusqu'à 20 microns
- Le développement de nouvelles buses et systèmes d'extrusion permettant d'imprimer des matériaux avancés
Certains acteurs travaillent même sur des imprimantes FDM robotisées, dotées de bras articulés, pour augmenter la liberté de mouvement et imprimer des formes plus complexes. Toutes ces innovations ouvrent la voie à de nouvelles applications pour le FDM.
Vers de nouveaux matériaux composites haute performance
Un autre axe majeur de développement concerne les matériaux. Bien que les plastiques type PLA et ABS restent les plus utilisés, de nouvelles formulations voient le jour pour apporter des propriétés améliorées aux pièces imprimées en FDM :
- Des polymères chargés en fibres de carbone ou de verre pour une rigidité et une résistance accrues
- Des composites polymère-métal pour combiner légèreté et propriétés mécaniques
- Des céramiques techniques imprimables, ouvrant la voie à des applications haute température
| Matériau | Propriétés | Applications |
|---|---|---|
| PLA-Carbone | Rigidité, légèreté | Drones, équipements sportifs |
| ABS-Métal | Résistance, conductivité | Outillages, pièces mécaniques |
| Céramique technique | Réfractaire, isolation | Moules, composants moteurs |
Grâce à ces nouveaux matériaux, le FDM s'ouvre à des applications plus techniques et exigeantes que le simple prototypage.
L'essor du FDM dans l'industrie manufacturière
Longtemps cantonnée au prototypage rapide, l'impression 3D FDM est en passe de devenir un véritable procédé de fabrication industrielle. Des secteurs comme l'aéronautique, l'automobile ou le médical investissent massivement pour intégrer cette technologie dans leurs lignes de production.
D'après une étude de Smithers, le marché mondial de l'impression 3D pour la production de pièces finies devrait passer de 2,4 milliards de dollars en 2022 à plus de 5,5 milliards en 2027, soit une croissance annuelle de 18%. Et le FDM devrait capter une part importante de ce marché en plein boom.
Des constructeurs automobiles comme BMW, Ford ou Volkswagen utilisent déjà des imprimantes 3D FDM pour fabriquer certains composants en petites séries. Dans l'aéronautique, Airbus imprime en FDM des pièces de cabine et des conduits de ventilation pour ses avions. Ces exemples montrent que le FDM est en passe de devenir un procédé de fabrication à part entière, au même titre que l'usinage ou l'injection plastique.
Conclusion
Avec l'arrivée de nouvelles imprimantes haute performance, de matériaux avancés et une adoption croissante par l'industrie manufacturière, l'impression 3D par dépôt de fil fondu a un bel avenir devant elle. Cette technologie autrefois réservée au prototypage est en train de révolutionner les modes de production et ouvre la voie à une nouvelle ère industrielle.
Un futur prometteur
L'impression 3D par dépôt de fil fondu ne cesse d'évoluer, avec de récentes innovations permettant l'utilisation de matériaux composites intégrant du métal ou de la céramique. Les applications industrielles se multiplient, notamment dans les domaines de l'aérospatiale et de l'automobile. Les tendances du marché et les opportunités futures laissent présager un bel avenir pour cette technologie, qui devrait continuer à se démocratiser et à repousser les limites de la fabrication additive.