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Impression 3D » Types, procédés, modes de fonctionnement et matériaux
Publié le 05.10.2021 | Durée de lecture : 15 minutes
L'avènement des imprimantes 3D a été une étape importante pour les entreprises. En effet, l'impression 3D permet de fabriquer rapidement et facilement des prototypes, des petites séries ou des pièces de rechange. Les processus des entreprises sont ainsi considérablement simplifiés et accélérés.
Mais les imprimantes sont également un outil utile dans le cadre d'une utilisation privée, lorsqu'il s'agit de réaliser des pièces spéciales ou des pièces uniques personnalisées.
Nous vous présentons les imprimantes 3D disponibles, leur fonctionnement et les différences existant entre les divers modèles. Nous vous donnons en outre des informations importantes sur le sujet et vous prodiguons quelques conseils intéressants, issus de la pratique.
Dans une imprimante informatique classique, de l'encre ou du toner est déposé sur une feuille de papier pour créer un document texte ou une image. Comme l'application est limitée au plan du papier, il suffit par exemple qu'une tête d'impression se déplace de gauche à droite ou que l'application du toner ou de l'encre se fasse par lignes.
Pour imprimer dans un autre sens, le papier est transporté à travers l'imprimante. L'impression finale est donc bidimensionnelle.
Sur une imprimante 3D, l'impression est en trois dimensions. Cela signifie que l'objet imprimé a non seulement une longueur et une largeur, mais aussi une hauteur. C'est pourquoi une imprimante 3D fonctionne avec un axe vertical (axe Z) en plus des deux axes d'impression horizontaux (axe X et axe Y).
Il existe aujourd'hui des solutions techniques très diverses pour imprimer un objet en 3D.
En fabrication soustractive, on enlève de la matière d'une pièce brute par sciage, fraisage, perçage ou meulage. Dans l'impression 3D, en revanche, il s'agit d'une fabrication additive. En effet, de la matière est ajoutée à la pièce non finie.
Avantages de la fabrication additive pour les entreprises par comparaison aux méthodes classiques
- Production plus rapide et moins onéreuse, par exemple en réduisant les coûts de matériau et les erreurs dans le développement de prototypes
- Production juste à temps d'objets 3D, par exemple des pièces de rechange pour les machines
- Impressions fonctionnelles et complexes comme en filigrane pour les pièces, moulages par injection, etc.
- Haute flexibilité dans le processus de production grâce à des changements adhoc et une réalisation rapide des modifications souhaitées
- Construction légère : l'impression 3D permet de réaliser des formes qui ne sont pas du tout ou difficilement réalisables avec les méthodes de fabrication classiques. Les constructions 3D relèvent ainsi de nouveaux défis en termes de poids, de design et de stabilité.
Avantages de la fabrication additive pour les particuliers
- Production des pièces nécessaires en peu de temps
- Personnalisation : Vous en avez assez des produits de masse ? Avec l'imprimante 3D, vous pouvez créer des pièces personnalisées.
- Plaisir de créer et bricoler
Notre conseil pratique : Respecter les droits d'auteur et de marque
En Suisse, le droit d'auteur s'applique également pour l'impression 3D. Cela signifie que tout modèle ne peut pas être modifié, diffusé ou même imprimé à volonté. La réglementation concerne notamment les œuvres d'art ou les produits de marque, pour lesquels s'applique en outre le droit des marques. Avant de vous lancer, il est donc conseillé d'en prendre connaissance.
L'époque où les imprimantes 3D étaient des outils spéciaux et coûteux que seuls des professionnels spécialisés pouvaient utiliser est définitivement révolue. Entre-temps, les appareils ont atteint une certaine maturité technique et ne posent pas trop de problèmes aux personnes qui les utilisent. Mais ce n'est pas tout. Les prix ont heureusement fortement baissé au point qu'on trouve désormais une imprimante 3D dans presque tous les ateliers de loisirs ou de bricolage. Actuellement, les imprimantes 3D se répartissent en trois catégories, dont les limites restent floues.
| Entrée de gamme | Milieu de gamme | Gamme professionnelle | |
|---|---|---|---|
| Fourchette de prix | Jusqu'à CHF 600.- | Entre CHF 600.- et 1.500.- | Plus de CHF 1.500.- |
| But d'utilisation | Impressions occasionnelles | Impressions régulières de pièces | Impression 3D industrielle et petites séries |
| Groupe cible | Schüler und Studierende Bastelfans |
Ambitionierte Technikfans | Firmen und Werkstätten |
| Avantages | Preiswerte Geräte Einfache Bedienung |
Gute bis sehr gute Druckqualität Hochwertige und stabile Mechanik Umfangreiche Features |
Professionelle Ausdrucke in Industriequalität Präzise und langlebige Mechanik |
| Inconvénients | Mechanische Stabilität gering Masshaltigkeit der Ausdrucke Fehlende Features |
Hoher Kaufpreis Teilweise komplexe Bedienung und Einstellung |
Sehr hoher Kaufpreis Hohes Druckaufkommen für Amortisation erforderlich |
Der Preis alleine ist aber noch kein Garant für einen gelungenen Ausdruck. Denn die Druckqualität steht und fällt mit der Kalibrierung des Druckers und den korrekten Einstellungen für den Druckauftrag. Und da ist definitiv Erfahrung notwendig, die sich beim Umgang mit dem Gerät aber schnell einstellt.
Welche Folgekosten entstehen beim 3D Druck?
Neben den Anschaffungskosten fallen bei einem 3D Drucker auch noch die laufenden Betriebskosten an. Die wiederum sind davon abhängig, wie oft und wie lange der Drucker läuft und welches Material verarbeitet wird.
Stromkosten
Der Stromverbrauch bei einem 3D Drucker schwankt sehr stark. Das liegt daran, dass die Heizungen, Motoren und Lüfter unterschiedliche Schaltzeiten haben.
Zudem benötigt ABS-Filament weitaus höhere Temperaturen als PLA. Im Schnitt liegen die Stromkosten bei wenigen Rappen pro Stunde. Für konkrete Werte muss vor Ort eine Messung durchgeführt werden.
Verbrauchsmaterial
Im Gegensatz zu den Stromkosten fallen die Kosten für die benötigten Filamente deutlich höher aus. Aber auch hier sind die Preise recht unterschiedlich.
Doch selbst wenn ein Markenfilament weit mehr, als ein billiges Noname-Produkt kostet, sollte man bei der Markenqualität bleiben.
Besonders dann, wenn die zum Filament optimal passende Druckereinstellung gefunden wurde und das dadurch erreichte Druckbild perfekt ist
Mit einem 3D Drucker werden entweder bereits bestehende, auch selber entworfene, dreidimensionale Objekte in Schichtbauweise hergestellt. Das Objekt, das Sie drucken möchten, muss also digital als dreidimensionales Modell vorliegen. Dafür können Sie vollständige 3D Entwürfe aus dem Internet herunterladen oder selbst in einem geeigneten CAD-Programm erstellen. Auch hier gibt es mittlerweile sehr gute Programme, die im Internet kostenfrei genutzt werden können.
Damit aus der entstandenen CAD-Datei im 3D Drucker ein realer Gegenstand entsteht, wird den Druckern eine geeignete Software beigelegt. Diese berechnet die nötigen Werkzeugbahnen und Befehle für den Drucker.
Freiraumverfahren
Das Freiraum-Verfahren wird auch als Fused Deposition Modeling (FDM) bzw. Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet. Dabei wird das Druckmaterial, Filament genannt, in Drahtform einer beheizten Düse (Extruder) zugeführt.
Flüssigverfahren
Bei der Stereolithographie (SLA) wird mit flüssigem Harz oder flüssigen Kunststoffen gearbeitet, die unter Hitzeeinwirkung bzw. UV-Licht aushärten. Mit einem Laser wird die Flüssigkeit im Vorratsbehälter punktuell bestrahlt und dadurch verfestigt.
Selektives Lasersintern (SLS)
Das Ausgangsmaterial bei diesem Druckverfahren ist ein feines Pulver aus Kunststoff, kunststoffbeschichteter Formsand, Metall oder Keramik. Dieses Pulver wird in einer dünnen Schicht über der Druckplatte ausgebracht. Ein Laserstrahl schmilzt dann das Pulver an bestimmten Stellen, wodurch es fest wird. Anschliessend wird die nächste Pulverschicht aufgetragen und per Laserstrahl mit der darunter liegenden Schicht verbunden. Nach der Fertigstellung muss das 3D-Objekt vom umgebenden Pulver befreit werden.
Selektives Laserschmelzen (SLM)
Das selektive Laserschmelzen erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie das selektive Lasersintern. Allerdings wird beim Laserschmelzen nicht mit Kunststoffpulver, Sand oder Keramik gearbeitet. Es wird ausschliesslich Metallpulver verwendet. Die gefertigten Bauteile haben eine hohe spezifische Dichte, die bei über 99% liegt. Dadurch haben die Bauteile die gleichen mechanischen Eigenschaften wie der Grundwerkstoff. Es können aber auch Bauteile mit selektiven Dichten hergestellt werden, die im Leichtbau für Luft- und Raumfahrt oder bei Implantaten erforderlich ist.
Unser Praxistipp: Hinweis zu Stützstrukturen
Beim FDM- und SLA-Druckverfahren ist es nicht möglich, beim schichtweisen Aufbau „ins Leere“ zu drucken. Wenn Überhänge gedruckt werden sollen, müssen von unten kommende Stützstrukturen eingebaut werden. Diese Stützstrukturen werden später am fertigen 3D-Objekt wieder entfernt. Im Gegensatz dazu sind beim SLM- und SLA-Druckverfahren keinerlei Stützstrukturen erforderlich. Das nicht vom Laser beleuchtete und somit lose Pulver übernimmt die stützende Funktion.
Übersicht der gängigsten 3D Druckverfahren
| Additive Druckverfahren | Geeignete Materialien für den Druck |
|---|---|
| Polyjet-Modeling und Fused Deposition Modeling (FDM, auch Fused Filament Fabrication, FFF) | Thermoplastische Kunststoffe mit und ohne Zusatzstoffe |
| Stereolithografie (SLA) und Digital Light Processing (DLP) | Flüssige Kunstharze |
| Selektives Lasersintern (SLS) |
Polymere, Keramik, Metalle |
| Selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen | Metalle |
Weitere Druckverfahren sind Multi Jet Fusion (MJF), bei dem die Schichten aus Polyamidpulver mit wärmeleitenden und thermisch hemmenden Flüssigkeiten punktuell benetzt werden. Unter der Einwirkung einer UV-Lampe verfestigen sich dann die Bereiche mit der thermisch leitenden Flüssigkeit.
Beim Pulverdruck-Verfahren (3DP) wird ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker mit farbigen Flüssigkeiten gearbeitet, die mit dem Bindemittel in der Pulverschicht reagieren und das Pulver verfestigen.
Ein 3D Drucker, der nach dem Polyjetverfahren bzw. nach dem Multi-Jet-Modeling (MJM) arbeitet, hat einen Druckkopf mit vielen kleinen Düsen, aus denen Photopolymer-Materialien punktgenau aufgetragen werden. Die Aushärtung erfolgt danach durch UV-Licht.
FDM-Drucker und SLA-Drucker im direkten Vergleich
Da der FDM-Druck und der SLA-Druck die beliebtesten und auch am weitesten verbreiteten Druckverfahren sind, haben wir die Funktionen und die Unterschiede der beiden Druckertypen genauer aufgelistet.
FDM-Drucker
Beim Schmelzschichtverfahren werden verschiedene thermoplastische Kunststoffe (Filamente) eingesetzt. Die gängigsten Filamente sind PLA, ABS, PETG, Nylon, TPE und Polycarbonate. Durch Zusatz von unterschiedlichen Materialien wie Carbon, Glasfasern, Metallpartikeln, Ton oder sogar Holz werden dem gedruckten 3D Objekt die gewünschten Eigenschaften verliehen.
Wenn der 3D Drucker über zwei Extruder verfügt, können zweifarbige Objekte gedruckt oder die Stützkonstruktion mit einem wasserlöslichen Filament angefertigt werden. Nach der Fertigstellung muss das Druckobjekt lediglich eine gewisse Zeit in ein Wasserbad gelegt werden, um die Stützstruktur schonend zu entfernen.
Die maximale Grösse eines druckbaren Objektes hängt vom Druckraum ab. Der Druckraum wiederum ist davon abhängig, wie weit der Druckkopf und das Druckbett seitlich und in der Höhe ausgelenkt werden können. Wenn die Grösse des fertigen Objektes das Volumen des Druckraumes übersteigt, müssen einzelne Teilkomponenten gedruckt und diese anschliessend zusammengefügt bzw. verklebt werden. Dadurch ist es problemlos möglich, ein ferngesteuertes Modellflugzeug mit einer Spannweite von über einem Meter herzustellen.
SLA-Drucker
Ein SLA-Drucker verfügt über eine Wanne, in der sich flüssiges Harz (Resin) oder flüssige Kunststoffe befinden. Mit der Energie eines Lasers wird die Flüssigkeit punktuell bestrahlt, wodurch sie sich verfestigt. Auch hier erfolgt der Aufbau wieder schichtweise.
Um ausreichend hohe 3D Objekte drucken zu können, muss der Drucker über einen grossen Flüssigkeitsbehälter verfügen, der entsprechend viel Flüssigkeit aufnimmt. Dies ist jedoch nur dann notwendig, wenn die Lasereinheit über dem Behälter positioniert ist. Darum gehen einige Hersteller den umgekehrten Weg.
Die Druckplatte, auf der das Objekt aufgebaut wird, fährt von oben in das Tauchbad und die Belichtung per Laser erfolgt von unten. Nach der ersten Schicht wird die Bodenplatte nach oben angehoben und die nächste Schicht erstellt. Das Druckobjekt wird in diesem Fall von unten nach oben aber kopfüber hängend aufgebaut. Dadurch ist die druckbare Höhe wesentlich grösser als die Wannentiefe. Trotzdem eigen sich SLA-Drucker eher für kleinere, aber extrem detaillierte 3D Objekte.
Zum besseren Vergleich haben wir die Vorteile und Nachteile der beiden Drucker-Varianten FDM und SLA übersichtlich gegenübergestellt:
3D Drucker Vergleichstabelle
| Typ | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|
| FDM-Drucker | ✓ Kostengünstig ✓ Widerstandsfähige Bauteile ✓ Grosser Druckraum ✓ Keine umfangreiche Reinigung erforderlich |
✗ Oberfläche mit Riefenstruktur ✗ Mittlere Fertigungsgenauigkeit ✗ Stützstrukturen erforderlich |
| SLA-Drucker | ✓ Detaillierte Oberfläche ✓ Hohe Fertigungsgenauigkeit ✓ Transparente Bauteile möglich |
✗ Nur für UV-härtbare Kunststoffe ✗ Langsamer Fertigungsprozess ✗ Nur einfarbige Druckobjekte ✗ Stützstrukturen erforderlich ✗ Aufwändige Reinigung notwendig |
Die meisten Anwender*innen, die in das Thema 3D Druck einsteigen wollen, werden sich zunächst überlegen, für welche Druckervariante sie sich entscheiden.
Für kleine und fein detaillierte Ausdrucke ist ein SLA-Drucker mit Sicherheit die bessere Wahl. Wenn aber grössere Projekte gedruckt werden sollen und zudem auch noch die Materialbeschaffenheit dem Anwendungszweck entsprechen muss, ist ein FDM-Drucker zu empfehlen.
Allerdings gibt es bei FDM-Druckern sehr grosse Unterschiede in Ausführung, Qualität und Preis. Aus diesem Grund wollen wir die Leistungsmerkmale dieser Drucker genauer betrachten:
Druckraum
Die Grösse des Druckraums wird als X-, Y- und Z-Achse angegeben. In der Regel reichen diese von 100 bis 400 Millimeter pro Achse. Somit ist es kein Thema, auch grössere oder mehrere Objekte in einem Druckvorgang zu fertigen.
Druckbett
Hier gibt es beheizte und unbeheizte Varianten. Wer einen hohen Qualitätsanspruch hat, greift besser zu einem beheizbaren Druckbett. Denn so kann sich nichts verziehen. Dies passiert oftmals, weil die frisch gedruckten Teile ungleichmässig warm und somit unterschiedlich formbar sind.
Die beheizte Platte sorgt für ein langsameres Auskühlen des Materials, sodass die Wärmeunterschiede nicht zu gross sind. Zu beachten ist unbedingt, welches Filament gedruckt wird, um die richtige Hitze des Druckbettes einzustellen. Bei PLA beispielsweise ist eine Temperatur von 60 Grad Celsius ausreichend.
Einen Einfluss auf Haftung und Temperaturverteilung hat das Material des Druckbetts. Hier empfehlen sich Platten aus Glas, Keramik oder Aluminium-Gussplatten. Damit das Modell während des Drucks optimal auf der Druckplatte haftet, eignen sich entsprechende Haftfolien, Klebestreifen oder Haftsprays. Diese lassen sich auf beheizte und unbeheizte Druckbetten auftragen.
Druckgeschwindigkeit
Auch wenn hochwertige Geräte mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 Millimetern pro Sekunde drucken können, geht dies jedoch oft zu Lasten der Qualität. In Kombination mit dem richtigen Filament, wie beispielsweise High-Speed PLA, liefern sie auch bei hohen Geschwindigkeiten gute Qualität. Zusätzlich verringern sich die Druckzeiten nochmals. 3D Drucker für Einsteiger hingegen sind mit Werten um die 60 mm/s deutlich langsamer.
Druckschichthöhe
Die Dicke des aufgetragenen Druckmaterials ist variabel. Je dünner eine Druckschicht ist, desto feiner und präziser wird das Modell am Ende. Zudem sind die Rillen zwischen den einzelnen Druckschichten weniger auffällig. Diese Eigenschaft macht unter anderem den Unterschied zwischen preislich hochwertigen und günstigen 3D Printern. Allerdings erhöht sich mit der Verringerung der Druckschichthöhe die benötigte Zeit für einen Ausdruck.
Hot-End und Extruder
Der Extruder ist das Herzstück eines 3D Druckers: Er und eine heisse Düse (Hot-End) schmelzen und formen das Filament und bauen das Objekt auf. 3D Drucker haben entweder einen oder zwei Extruder.
Besonders für den professionellen Einsatz ist ein Gerät mit zwei Extrudern (Dual Extruder) empfehlenswert. Durch den Druck von Stützstrukturen, beispielsweise aus wasserlöslichem PVA, lassen sich bessere Druckergebnisse erzielen. Die filigranen Stützen sind leicht im Wasserbad zu entfernen. Ausserdem lassen sich verschiedene Materialien wie weiche und harte Stoffe oder mehrere Farben in einem Modell kombinieren.
Filament
Wichtige Kriterien bei den Filamenten sind Härtegrad, Flexibilität und Temperaturfestigkeit. Das Druckmaterial für das herkömmliche FDM-Verfahren besteht in der Regel aus PLA Filament oder ABS Filament.
PLA ist ein Naturkunststoff, der biologisch abbaubar ist. Er ist UV-beständig und leicht zu verarbeiten. Darüber hinaus haftet er während des Drucks am besten auf einer Glasplatte oder einem Spiegel, der auf der Druckplatte montiert ist. Eine beheizbare Platte ist nicht nötig.
Darüber hinaus gibt es Filamente aus PLA mit Holz-, Bronze-, Messing- oder Kupferanteilen. Diese sind in ihrer Optik und Haptik dem originalen Stoff täuschend ähnlich. Auch transparente oder bei Dunkelheit leuchtende Filamente sind erhältlich.
PLA verformt sich bei 60 Grad Celsius. Es ist also ungeeignet für Gegenstände wie Tassen, die sich bei Gebrauch erhitzen oder mit heissen Materialien in Berührung kommen.
Der Kunststoff ABS besteht aus Erdöl, ist schlagfest und weniger hitzeanfällig als PLA. Deshalb ist er auch für eine Nachbearbeitung wie Polieren oder Schleifen geeignet. Allerdings ist er schwerer zu verarbeiten und benötigt ein beheiztes Druckbett.
Zudem ist heute fast jeder Kunststoff für 3D Drucker verfügbar, egal ob hochfestes Polycarbonat oder scheuerfestes Nylon. Durch die Auswahl des Filaments lassen sich die Eigenschaften des gedruckten Objektes perfekt an den Einsatzzweck anpassen. Allerdings ist es immer etwas zeitaufwändig, für das jeweilige Filament die optimalen Druckereinstellungen zu finden.
Wie erhält der Drucker seine Daten?
In der Praxis hat es sich bewährt, die Drucker-Files auf eine SD-Karte zu kopieren und die Karte dann in den Kartenslot am Drucker zu stecken. Vorausgesetzt der Drucker bietet diese Möglichkeit. Wird der Drucker lediglich per Schnittstellenkabel mit dem Computer verbunden, muss der PC solange laufen, bis der Drucker den Druck abgeschlossen hat.
Welche Software wird für einen 3D-Drucker benötigt?
Neben der internen Software (Firmware), die im Drucker verwendet wird, muss am Computer eine Drucker-Software installiert werden. Eine gängige Software für 3D Drucker ist z.B. Repetier Host. In diese Software ist ein Slicer eingebunden, der die Konstruktionsdatei in ein für den Drucker verständliches Format umwandelt. Wer die Objekte für den 3D-Druck selber kreieren will, benötigt noch eine CAD-Software. Diese werden mittlerweile zur kostenlosen Nutzung im Internet angeboten.
Bieten günstige Drucker ein schlechteres 3D Ergebnis?
Diese Frage lässt sich nicht so einfach beantworten, denn der Preis spiegelt nur im begrenzten Umfang die Produktqualität wieder. Grundsätzlich aber lässt sich sagen, dass für eine gute Druckqualität eine hohe Präzision erforderlich ist. Um diese 3D Präzision zu erreichen, sind hochwertige Komponenten und ein stabiler Aufbau der 3D Maschine erforderlich.
Welchen Vorteil bieten Dual Extruder?
Bei 3D Printern mit Dual Extrudern besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Filamente in einem 3D Druckauftrag zu verarbeiten. Das können zwei PLA Filamente mit unterschiedlichen Farben oder auch ein wasserfestes und ein wasserlösliches Filament für die Stützstrukturen sein. Allerdings ist die Einstellung eines 3D Druckers mit Dual Extruder deutlich aufwändiger und für den Einstieg eher weniger geeignet.
Was ist Rapid Prototyping?
Wörtlich übersetzt heisst Rapid Prototyping schneller Modellbau. Im Gegensatz zur konventionellen Fertigung, die bei Einzelstücken recht aufwändig ist, lassen sich im additiven Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) mit etwas Know-how sehr schnell Prototypen in höchster Qualität erstellen.
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Comment fonctionne une imprimante 3D ?
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Informations utiles sur l'impression additive
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Que peut fabriquer une imprimante 3D ?
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Comment trouver une bonne imprimante 3D ?
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Du modèle 3D pour imprimante 3D au résultat d'impression
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Apprendre en cours avec l'impression 3D
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Équipement pour imprimante 3D
Comment fonctionne une imprimante 3D ?
L'avènement de l’imprimante 3D a constitué un véritable tournant pour les entreprises. Le prototypage rapide ou la fabrication de pièces de rechange ne sont que deux exemples permettant d'accélérer considérablement certains processus de l'entreprise. Mais, pour les particuliers, les imprimantes constituent un outil très utile pour un usage privé. Imprimez vous-même votre tasse préférée conçue par vos soins, un jouet pour enfant, des pièces de rechange et même des pièces personnalisées - presque tout est possible. Ce guide vous explique comment fonctionnent les imprimantes 3D et les techniques d'impression les plus courantes.
Une imprimante 3D permet de fabriquer, couche après couche, des objets en trois dimensions même vos propres créations. L'objet que vous souhaitez imprimer doit donc être présent sous forme de modèle tridimensionnel numérique. Vous pouvez télécharger depuis Internet des créations 3D complètes voire les créer dans un programme approprié.
Pour qu’un objet réel sorte de l'imprimante 3D à partir du fichier généré, tous les appareils incluent un logiciel adéquat. Ce dernier calcule les déplacements d’outil et les commandes nécessaires pour l'imprimante.
L’impression est effectuée par une buse, qui se déplace dans toutes les directions, c'est-à-dire latéralement, vers l'avant et vers l’arrière ainsi que vers le haut et vers le bas. Le matériau d'impression visqueux (filament) sort de la buse sous forme de fil fin. La buse se déplace en suivant les trajectoires précalculées au-dessus du lit d'impression et applique le filament en plusieurs couches les unes sur les autres. L'objet 3D est fabriqué du bas vers le haut, couche après couche, le matériau appliqué durcissant rapidement. Un objet d'impression 3D fermé n’est pas complètement rempli de filament. A l’intérieur des pièces, l'imprimante 3D crée une structure de grille, où l'épaisseur de la grille est ajustable. Cela permet d'économiser de la matière et l'objet reste stable malgré tout.
Le concept de fabrication additive désigne le procédé d'impression décrit ci-dessus : une couche après l'autre est ajoutée jusqu'à ce que l'objet d’impression soit terminé. Ce procédé de fabrication permet également de réaliser des rainures sur les modèles 3D.
Notre conseil pratique
Il existe aujourd'hui des imprimantes 3D pour toute gamme de prix. Mais il faut savoir que les appareils bon marché ne peuvent pas de toute évidence rivaliser en termes de précision et de qualité avec les appareils haut de gamme et d’excellente finition. C’est un détail important à prendre en compte en particulier lors de l'impression de pièces détachées ou de rechange, où la précision est de mise. Conrad.ch propose des imprimantes 3D de grande qualité qui vous fournissent le résultat correspondant à vos attentes.
Informations utiles sur l'impression additive
Présentation de l'impression additive
Concernant le procédé d'impression additive (aussi appelée fabrication générative), il existe différentes technologies qui ont chacune des avantages et des inconvénients.
Procédé sur lit de poudre (liage de poudre)
Selon ce procédé, sur une plateforme d’impression mobile dans une cuve, de la poudre est d’abord appliquée, puis du liant et ainsi de suite, couche après couche. L'imprimante répartit le liant là où l'objet 3D doit se former. Après chaque couche, la plaque d'impression s’abaisse de l’épaisseur de la couche et répète le processus. Comme alternative au liant, les imprimantes 3D utilisent de l'énergie. Ainsi, par exemple, les couches de poudre sont durcies par la chaleur et liées entre elles.
Parmi les procédés sur lit de poudre, on compte la fusion sélective par laser (SLM), la fusion par faisceau d’électrons (EBM), le frittage sélectif par laser (SLS), la photopolymérisation (DLP [Digital Light Processing]) et la modélisation Polyjet.
Procédés d'extrusion de matière
Comme décrit en introduction de ce guide, le modèle est obtenu par la création de couches successives. L'imprimante dépose le filament sur le plateau, là où le modèle de l'imprimante 3D l’a prévu. Le filament est en général solide, puis est ramollit sous l’effet de la chaleur de façon à pouvoir être facilement extrudé à travers la buse. Si le modèle contient des parties en surplomb ou des cavités, l'appareil imprime en plus des constructions de support afin d’éviter les déformations du filament encore visqueux.
Le procédé le plus répandu est le dépôt de matière fondue FDM (Fused Deposition Modeling) qui a connu un grand succès ces dernières années. La technologie FDM se caractérise par sa facilité d’utilisation et son bon rapport qualité/prix. En outre, elle convient pour de nombreuses utilisations et s’adresse aussi bien aux débutants qu’aux professionnels.
Procédés à matériaux liquides
Pour obtenir l'objet, une cuve est d'abord remplie de photopolymères liquides. Selon le procédé, le faisceau laser durcit le liquide aux endroits où doit être crée la forme. Dans le cas de la photopolymérisation DLP, les faisceaux laser frappent les polymères photosensibles ci-dessus selon une grille de points.
Parmi les procédés avec matériaux liquides, on retrouve la stéréolithographie (SLA), la photopolymérisation (DLP [Digital Light Processing]) et la fabrication de céramique par lithographie (LCM).
Procédés d'impression 3D les plus appréciés : le dépôt de matière fondue (FDM) et la stéréolithographie
Les imprimantes 3D figurant sur conrad.ch utilisent soit la technologie FDM, soit la stéréolithographie. Avec la polygraphie, le frittage sélectif par laser, l’impression 3D et la fusion sélective par laser, ce sont les procédés de fabrication les plus répandus.
L'utilisation du procédé FDM ou du dépot de matière fondue s’impose là où la précision est requise. C'est-à-dire que ce procédé s’adresse par exemple pour les composants précis qui doivent résister aux tests complexes et aux environnements hostiles. Les pièces de fixation, les outils et les prototypes des secteurs de l’automobile et des techniques médicales sont souvent produites de cette manière. Dans le cadre d’un usage privé, vous pouvez imprimer toutes les pièces imaginables, que ce soit des pièces de rechange par exemple en modélisme, des figurines, des bols ou des jouets.
En FDM, le modèle est fabriqué en plastique couche par couche. Sachant que le plastique est extrudé à travers une buse ou filière chauffée, il doit pouvoir fondre mais aussi refroidir et durcir rapidement. En fonction de la forme, des structures de support sont également nécessaires.
Les polymères thermoplastiques tels que les filaments ABS et PLA sont adaptés. Les filaments contenant des particules de laiton, de cuivre et de bronze ont un aspect métallisé brillant fidèle à la réalité après polissage ou ponçage de la surface.
La stéréolithographie permet de fabriquer des modèles filigranés et des composants, des modèles de fonderie, des composants fonctionnels ainsi que des prototypes pour la machine-outil, l’automobile et l’équipement médical. Ce procédé est également idéal pour les produits finaux nécessitant un ajustement précis comme par exemple les appareils auditifs. Pour le grand public, les imprimantes 3D ont un usage universel, toutefois l’entretien est plus long que pour les imprimantes FDM en raison du nettoyage nécessaire après l’impression.
Le modèle est obtenu couche après couche à partir d’un bain de photopolymères. Un rayon laser durcit chaque couche avant d’immerger le modèle entamé dans le liquide pour réaliser une nouvelle couche. Pour que l'objet ne parte pas au cours du processus d'impression, des structures de soutien sont créées en parallèle pour stabiliser l'objet. Ces petits colonnes peuvent être enlevées mécaniquement à la fin. Il est important, à la fin, de nettoyer à fond le modèle terminé et d'éviter tout contact avec la peau. Une chambre à UV permet ensuite de durcir et solidifier la pièce réalisée.
Avantages de la fabrication additive pour les entreprises par rapport aux méthodes classiques
- Réduction du délai et du coût de production, par exemple grâce aux faibles quantité de matière et la réduction d'erreurs lors du prototypage
- Production juste-à-temps d'objets 3D
- Produits d’impression fonctionnels, complexes voire même filigranés
- Une grande flexibilité du processus de production par la possibilité d’effectuer des modifications ad hoc et la mise en place rapide des modifications souhaitées
- Construction légère : avec l’impression 3D, il est possible de réaliser des formes qui étaient impossibles à réaliser ou du moins difficilement réalisables avec les méthodes de fabrication classiques. Ainsi, les constructions en 3D établissent de nouveaux standards en termes de poids, de design et de stabilité.
Avantages de la fabrication additive pour des particuliers
- Production des pièces nécessaires en peu de temps
- Personnalisation : Vous n’avez pas envie d’un produit de masse ? Avec l'imprimante 3D, vous pouvez créer des pièces uniques.
- Plaisir d’inventer et de créer
Notre conseil pratique
Le droit d’auteur d’applique à l'impression 3D. Cela signifie que chaque modèle ne peut pas être modifié, ni diffusé voire même imprimé à sa guise. Des dispositions légales s’appliquent par exemple aux œuvres d'art ou aux produits de marque. Avant de vous lancer, il est conseillé de jeter un coup d'oeil à la législation pour un usage privé.
Production
- Prototypage rapide
- Fabrication de petite série
- Fabrication de pièces uniques
- Fabrication de motifs
Modélisme/modélisme ferroviaire
- Fabrication de pièces à ajouter et de transformation
- Personnalisation de composants standard
- Fabrication de pièces de rechange
- Fabrication de miniatures à l'échelle
Artisanat
- Initiation économique aux procédés CNC
- Fabrication de pièces uniques
- Modèles réduits
Enseignement
- Apprendre des constructions en 3D : un résultat tangible immédiatement
- Amélioration de la représentation spatiale
- Lien entre la théorie et la pratique
Art et design
- Fabrication de modèles réduits et de sculptures
- Conception de bijoux, en particulier de prototypes et de modèles design
Architecture
- Ébauches rapides et économiques pour les clients et les concours
- Transformation de plans en modèle miniature
Si l’on souhaite réaliser des formes complexes et des pièces ajustées avec l’imprimante 3D, il est nécessaire d’avoir une imprimante 3D ayant une bonne qualité d'impression. Il faut tenir compte des facteurs suivants :
Hauteur de la couche d'impression
L'épaisseur du matériau d'impression appliqué varie entre 0,02 et 0,2 millimètre. Plus une couche d’impression est fine, plus le modèle sera fin et précis à la fin du processus. De plus, les rainures entre les différentes couches d’impression sont moins visibles. Cette propriété fait entre autres la différence entre les imprimantes 3D à prix abordable et les imprimantes 3D haut de gamme.
Hot-end et extrudeur
L'extrudeur est la pièce maîtresse d'une imprimante 3D : L'extrudeur et une buse à chaud (hot-end) qui font fondre le filament, le façonnent et construisent l'objet. Les imprimantes 3D possèdent un ou deux extrudeurs.
Un appareil doté de deux extrudeurs (à double extrusion) est particulièrement recommandé pour un usage professionnel. Grâce à l'impression de structures de soutien, par exemple à partir de PVA soluble dans l'eau, vous pourrez obtenir les meilleurs résultats d'impression. Les structures de soutien en filigrane sont faciles à enlever. Il est également possible de travailler différents matériaux tels que des matériaux souples ou durs mais aussi avec plusieurs couleurs sur un même modèle.
Chambre d'impression
Le volume de la chambre d'impression est indiqué par les axes X, Y et Z. En règle générale, 100 à 250 millimètres par axe suffisent. Cela vous permet également de fabriquer des objets de plus grandes dimensions voire plusieurs objets en un seul processus d'impression.
Lit d'impression
Il existe des variantes chauffées et non chauffées. Si un niveau de qualité élevé est exigé, il vaut mieux opter pour un lit d'impression chauffant, qui porte la matière à une température d’au moins 100°C. En effet, cela permet d'améliorer l'adhérence du modèle et évite toute déformation. En effet, des déformations sont fréquentes si les pièces fraîchement imprimées n’ont pas une température homogène sur toute leur surface et se forment ainsi différemment.
Le matériau composant le lit d'impression a une influence sur l'adhérence et la répartition de la température. Sont recommandées ici les plaques en verre, céramique ou plaques en fonte d'aluminium. Pour que le modèle adhère de façon optimale sur la plaque d'impression lors de l'impression, des films adhésifs ou des sprays adhésifs correspondants sont recommandés. Ils s’appliquent sur des lits d'impression chauffés ou non.
Matériau pour imprimante 3D (filament)
Les critères importants à retenir pour les matériaux d'impression sont le degré de dureté, la flexibilité et la résistance à la température. Le matériau d'impression pour le procédé FDM classique se compose en général de filaments PLA ou ABS. En même temps, c'est aujourd'hui presque tout plastique est disponible pour l’imprimante 3D, que ce soit le polycarbonate résistant aux chocs ou le nylon résistant aux rayures.
Le PLA est un plastique naturel biodégradable. Il est résistant aux UV et facile à travailler. Par ailleurs, il adhère le mieux pendant l'impression à une plaque de verre ou un miroir, monté(e) sur la plaque d'impression. Une plaque chauffante n'est pas nécessaire. Toutefois, le PLA se déforme dès 60 ° C. Cela ne convient donc pas pour des objets tels que des tasses qui sont exposées à la chaleur dans le cadre de leur utilisation ou sont en contact de liquides chauds.
En outre, il existe des filaments en PLA avec des particules de bois, de bronze, de laiton ou de cuivre. Ces éléments ressemblent à s'y méprendre à l’original tant sur l’aspect final qu’au toucher. Des filaments transparents ou brillant dans le noir sont également disponibles.
Le plastique ABS est issu du pétrole, est résistant aux chocs et moins sensible à la chaleur que le PLA. Il peut donc subir un post-traitement comme le polissage ou le ponçage. Toutefois, il est plus difficile à travailler et nécessite un lit d'impression chauffé.
Autres filaments existants :
PVA : filament d’alcool polyvinylique soluble dans l'eau, qui est utilisé presque exclusivement pour l'impression de matériaux de support. Ainsi, vous n’avez pas besoin de retirer les structures à la main.
Polystyrène choc : comme le PVA, est principalement utilisé pour l'impression de structures de soutien car il est soluble avec du limonène.
Laybrick & Laywood : ces filaments se composent principalement de particules de grès ou de bois. C'est pourquoi ils ressemblent à s'y méprendre, visuellement et au toucher, au grès ou au bois.
TPE (élastomère thermoplastique) : même après impression, il reste flexible et très résistant.
Résine : Comme la résine durcit lorsqu’elle est exposée à un faisceau laser ou à la lumière ambiante, elle convient parfaitement à la stéréolithographie. Différentes sortes de résines sont disponibles et présentent différentes formes et propriétés.
Vitesse d'impression
Même si les appareils haut de gamme peuvent imprimer à un débit d'environ 300 millimètres par seconde mais une telle rapidité d’exécution est souvent au détriment de la qualité. Avec le bon filament, comme par exemple le PLA rapide, ils offrent des résultats d’excellente qualité à des vitesses élevées. De plus, cela permet de réduire la durée d'impression. Les imprimantes 3D pour débutants sont, par contre, nettement plus lentes avec un débit de 60 mm/s.
Kit d'imprimante 3D à monter soi-même ou modèle prêt à l’emploi ?
Pour tous les bricoleurs et les amateurs de technologie, mais également pour une utilisation dans les centres de formation, il existe différents modèles d'imprimante 3D en kit à monter. Ces imprimantes sont à monter soi-même chez soi avec un peu de patience et de temps. En termes de fonctionnalité et de qualité d'impression, ces imprimantes 3D en kit n'ont rien à envier aux appareils prêts à l’emploi, si le montage est correctement effectué.
Du modèle pour imprimante 3D au résultat d'impression
Toute imprimante 3D est commandée par ordinateur. Elle nécessite donc des informations numériques sous la forme d'une machine virtuelle pour réaliser les objets à imprimer. Ce modèle d'impression peut être créé de deux façons : par un scan en 3D de l’objet original ou par un nouveau modèle à l'aide d'un logiciel de CAO.
Scanner 3D pour des reproductions fidèles à l'original
À l'aide d'un scanner 3D et d'une imprimante 3D, c’est possible : la photo 3. Présentez-vous face à un scanner 3D, lequel génère une modélisation informatique de votre corps représentant les moindres détails jusqu'aux plis du tee-shirt. Une imprimante 3D l’imprime à n'importe quelle échelle. Un mini-moi dans la vitrine. Pour les particuliers, les scanners 3D en petits formats sont intéressants car ils ont de nombreuses applications : ils peuvent en effet copier à l’identique la vis manquante, la poignée de l'armoire, le verre à dents et bien plus encore et permettent de les imprimer avec précision. Outre le matériel, un puissant logiciel de numérisation est nécessaire, qui est en règle générale livré avec le scanner.
Modèles pour imprimante 3D avec logiciel de CAO
Des objets tridimensionnels peuvent également être réalisés sans modèle réel original. Un logiciel de la conception assistée par ordinateur (CAO) permet la création de n’importe quel modèle imaginable. Les conditions requises sont la maîtrise du logiciel et une bonne dose de créativité.
Les logiciels d'entrée de gamme pour réaliser des modèles pour imprimante 3D aident à aborder le sujet dans la pratique. Pour tous ceux qui débutent dans l’impression 3D ou ne souhaitent pas se confronter intensément à un logiciel de CAO, vous trouverez des solutions sur Internet. Vous trouverez de nombreux sites web proposant des modèles 3D clés en main, prêts à télécharger.
Apprendre à l'école avec l'impression 3D - Pour les disciplines MINT
Les outils technologiques interactifs, telles que les tablettes graphiques numériques, les ordinateurs et autres tablettes sont très interactifs et s’intègrent d’ores et déjà parfaitement dans l'enseignement. Les élèves peuvent désormais créer, concevoir et acquérir leur savoir-faire par la pratique à la différence de l’enseignement purement théorique.
Découvrir - Créer - Apprendre
L’imprimante Dremel 3D Idea Builder ouvre aux élèves un nouveau monde pour apprendre : Il est possible de cerner les problèmes et de réfléchir collectivement aux tâches associées de façon critique et de résoudre ces problèmes de façon interactive. Imagination, créativité et motivation réciproque sont les éléments clés de ce concept d'apprentissage innovant.
Applications et programmes scolaires actuels pour les travaux pratiques avec l’impression 3D
Les enseignants et des spécialistes ont œuvré à la meilleure compréhension, implication et à l’apprentissage de programmes scolaires interactifs en 3D dans l’enseignement secondaire et supérieur. Commencer les projets Dremel avec une tâche et une phase de conception. Une fois le processus d'impression 3D terminé et le résultat souhaité atteint, les élèves ont acquis une expérience, ils peuvent corriger ou élaborer une nouvelle ébauche. Les élèves sont ainsi sensibilisés à l’esprit critique, la créativité, la collaboration et la communication. Le concept pédagogique repose sur l’établissement d’un lien entre des concepts abstraits, l’apprentissage par travaux pratiques et des modèles imprimés en 3D.
Exemple pour l'enseignement secondaire (niveaux 6 à 8)
Les élèves conçoivent une paire de lunettes de soleil en 3D et collectent, par ailleurs, des informations sur l'oeil et les effets nocifs des rayons UV.
Exemple pour l'enseignement supérieur (niveaux 9 à 12)
Les élèves conçoivent un filtre à eau réutilisable en 3D et recueillent des informations relatives à la filtration nécessaire pour rendre l'eau potable. Dans ce contexte, cela permet également d’évoquer la problématique des ressources limitées en eau potable présentes sur Terre et de nourrir les débats.
L’imprimante 3D Dremel Idea Builder 3D40 avec filament
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Zone de travail fermée et vitre transparente
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Support de filament intégré et plaque d’impression remplaçable
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Accès Wifi
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Tête d'impression sans entretien
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Nivellement semi-automatique
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Refroidissement permanent
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Écran tactile et éclairage LED
Accessoires pour une impression 3D parfaite et pièces de rechange pour les éléments endommagés de l'imprimante 3D.
Les extensions comme les encapsulations, les anneaux LED pour l’éclairage de surface ou un nettoyeur de filament sont disponibles dans cette gamme.