Résumé:La fabrication par filament fondu (FFF) est un procédé de fabrication additive (AM) qui construit des objets tridimensionnels en déposant sélectivement du matériau thermoplastique fondu couche par couche.Ce guide fournit un examen détaillé de la technologie FFF, comprenant ses principes fondamentaux, les variations de processus, les considérations de conception, les matériaux, les techniques de post-traitement et diverses applications.Il sert de référence pour les ingénieurs, les concepteurs et les fabricants cherchent à comprendre et à utiliser cette technologie de fabrication largement accessible.
1Introduction à la fabrication de filament fondu
Fabrication de filament fondu (FFF),également connu sous le nom de modélisation de dépôt fusionné (FDM) un terme déposé par Stratasys est l'une des technologies de fabrication additive les plus répandues et accessibles aujourd'huiLe principe de base du FFF consiste à chauffer un filament thermoplastique à son point de fusion et à l'extruder à travers une buse dans un motif contrôlé, en construisant la couche d'objet sur la couche.Cette technologie relève de la catégorie plus large de la fabrication additive par extrusion de matériaux, selon la définition de l'ASTM International.
L'histoire de la FFF est étroitement liée à la FDM, qui a été inventée et brevetée par le Dr S. Scott Crump à la fin des années 1980.À la suite de l'expiration des brevets clés et de la montée en puissance du projet open-source RepRap (Replicating Rapid Prototyper), la technologie est devenue largement accessible au public, ce qui a conduit à l'adoption du terme non breveté "Fusion Filament Fabrication" ou son synonyme, "Fusion Filament Fabrication (FFF) ".Cette démocratisation a alimenté l'innovation et fait de la FFF l'une des méthodes d'impression 3D les plus populaires et les moins chères pour les amateurs et les professionnels.
Le FFF se distingue par sa simplicité de fonctionnement, sa large sélection de matériaux et son rentabilité pour la fabrication de prototypes et la production en petites quantités.Pour comprendre son plein potentiel, il faut plonger profondément dans sa mécanique de processus., les contraintes de conception, et les progrès en cours qui continuent d'élargir ses capacités.
2Le processus FFF: une analyse étape par étape
Le processus de FFF peut être systématiquement divisé en trois étapes principales: pré-traitement, impression et post-traitement.
2.1. Pré-traitement (préparation numérique)
Cette étape consiste à préparer le modèle numérique pour l'impression.qui représente la géométrie extérieure de l'objet en utilisant un maillage de trianglesCe modèle est ensuite importé dans un logiciel de découpe. Le logiciel découpe le modèle 3D en couches horizontales minces (généralement de 0,05 à 0,3 mm d'épaisseur) et génère le code G,un ensemble d'instructions qui dicte les mouvements de l'imprimante, y compris les chemins d'outils pour le modèle et les structures de support nécessaires, les températures d'impression et les vitesses d'impression.
2.2. Impression (processus de fabrication)
Le processus d'impression se déroule exactement selon les instructions du code G:
Alimentation par filament: Un filament thermoplastique solide, généralement enroulé sur une bobine, est introduit dans l'assemblage de l'extrudeuse de l'imprimante par un mécanisme d'engrenage.
Chauffage et fusion: le filament passe dans une buse chauffée (ou liquéfiant), où il est chauffé à un état semi-liquide, juste au-dessus de sa température de transition en verre.
Extrusion et dépôt: le matériau fondu est forcé à travers une buse fine (diamètres généralement compris entre 0,2 et 0).8 mm) et déposés sur la plateforme de construction le long du chemin d'outillage défini pour la couche courante.
Consolidation de la couche: le matériau extrudé fusionne avec la couche précédemment déposée au contact, se solidifiant par refroidissement.La plate-forme de construction diminue ensuite (ou la tête d'impression augmente) d'une hauteur de couche, et le processus se répète jusqu'à ce que l'objet soit terminé.
2.3. Post-traitement
Après l'impression, plusieurs étapes peuvent être nécessaires:
Retrait du support: pour les modèles avec des surplombs ou des géométries complexes, les structures de support sont imprimées simultanément à l'aide d'un matériau séparé, souvent soluble dans l'eau ou décomposable.Ceux-ci doivent être retirés manuellement ou dissous dans une solution après l'impression.
Finition de surface: les pièces peuvent être finitionnées pour améliorer leur esthétique ou leur fonctionnement.ou lissage chimique avec des vapeurs pour réduire la visibilité des lignes de couche.
3Considérations de conception critiques pour le FFF
La conception de pièces pour le FFF nécessite une compréhension des capacités et des limites du processus afin d'assurer l'impression et la fonctionnalité.
Hauteur de couche: cela détermine la résolution verticale de l'impression.
L'orientation: l'orientation de la pièce sur la plaque de construction affecte de manière critique sa résistance, la qualité de sa surface et le besoin de supports.Ils sont généralement les plus forts dans la direction du dépôt de couche (plan X-Y) et les plus faibles dans la direction verticale (Z) en raison de la liaison entre les couches étant un point de défaillance potentiel..
Structures de support: Les éléments surplombant au-delà d'un certain angle (généralement 45 degrés ou plus) nécessitent un support.La conception visant à minimiser les surplombs ou à intégrer des angles autoportants peut réduire l'utilisation des matériaux et améliorer l'efficacité du post-traitement.
Murs et remplissage: Les périmètres extérieurs (murs) définissent la coque de la pièce, tandis que le motif de remplissage interne (par exemple, grille, nid de miel) fournit une structure interne.La densité de remplissage (pourcentage de matière solide à l'intérieur de la pièce) peut être ajustée en fonction de la résistance d'équilibre, poids, utilisation des matériaux et temps d'impression.
FFF peut imprimer des travées entre deux supports verticaux sans matériau sous-jacent, une technique connue sous le nom de bridging.
Tolérances et précision dimensionnelle: les concepteurs doivent tenir compte du rétrécissement du matériau, en particulier avec des matériaux comme l'ABS, ce qui peut entraîner des inexactitudes dimensionnelles et des déformations.Des caractéristiques telles que des trous et des broches peuvent devoir être ajustées dans le modèle numérique pour atteindre les dimensions finales souhaitées.
4. Matériaux pour le FFF
La sélection de matériaux pour le FFF est vaste et porte principalement sur les thermoplastiques en raison de leur capacité à être fondus et solidifiés à plusieurs reprises.
4.1. Filaments communs
Acide polylactique (PLA): thermoplastique biodégradable dérivé de ressources renouvelables comme l'amidon de maïs.mais il a une résistance inférieure et une résistance à la chaleur par rapport aux autres plastiques d'ingénierie.
Styrène acrylonitrile butadiène (ABS): Connu pour sa bonne résistance, sa durabilité et sa résistance à la chaleur.Il est plus difficile à imprimer que le PLA en raison du rétrécissement et de la déformation importants si elle n'est pas imprimée dans une chambre chauffée.
Polyamide (nylon): apprécié pour sa résistance élevée, sa durabilité, sa souplesse et sa résistance à l'abrasion.
Polycarbonate (PC): plastique d'ingénierie très résistant à la chaleur et à la résistance à la chaleur, mais nécessitant des températures d'impression élevées et une chambre fermée pour éviter la déformation.
Polyéther éther cétone (PEEK): un super polymère à haute performance avec des propriétés mécaniques exceptionnelles et une stabilité thermique, utilisé dans des applications aérospatiales et médicales exigeantes.
4.2. Matériaux de soutien
Soutiens de rupture: généralement fabriqués à partir du même matériau de base que le modèle, mais imprimés avec un motif moins dense pour un retrait plus facile.
Supports solubles dans l'eau: des matériaux tels que l'alcool polyvinylique (PVA) se dissolvent dans l'eau, ce qui les rend idéaux pour des géométries internes complexes où l'enlèvement manuel est impossible.
| Matériel | Propriétés clés | Difficulté d'impression | Applications communes |
| Produits à base de PLA | Facile à imprimer, faible distorsion, biodégradable, fragile | C' est facile. | Prototypes, modèles éducatifs, pièces non fonctionnelles |
| ABS | Durable, résistant à la chaleur, susceptible de se déformer | Moyenne | Prototypes fonctionnels, boîtiers, pièces automobiles |
| Le PETG | Forte, durable, bonne résistance aux produits chimiques et à l'humidité | Facile à moyen | Bouteilles d'eau, pièces mécaniques, récipients alimentaires |
| D'autres matériaux | Forte, souple, résistante à l'abrasion, hygroscopique | Moyen à dur | Les engrenages, les charnières, les outils |
| Le TPU/TPE | Flexibles, élastiques et résistants aux chocs | Moyenne | autres appareils pour le nettoyage ou le repassage des eaux usées |
5. Avantages et limites du FFF
5.1. Avantages
Coût-efficacité: les imprimantes FFF, en particulier les modèles de bureau, ont un faible coût d'entrée.
Variété de matériaux: Il existe une large gamme de matériaux thermoplastiques, y compris des matériaux composites à base de fibres de carbone, de bois ou de particules métalliques pour des propriétés spécialisées.
Facilité d'utilisation et sécurité: le procédé est propre et ne nécessite pas de lasers à haute puissance ni de produits chimiques toxiques, ce qui le rend adapté aux environnements de bureau et de maison.
Prototypage rapide: Il permet une itération et une visualisation rapides des concepts de conception.
5.2. Limites
Propriétés mécaniques anisotropiques: les pièces sont intrinsèquement plus faibles entre les couches (axe Z) que dans une couche (plan X-Y).
Lignes de couche: Les lignes de couche visibles entraînent un effet de "marche d'escalier" sur les surfaces courbes, ce qui peut affecter l'esthétique et nécessiter un post-traitement pour lisser.
Résolution et précision inférieures: le FFF a généralement une précision dimensionnelle et une résolution de caractéristique inférieures par rapport à des technologies telles que la stéréolithographie (SLA) ou le frittage au laser sélectif (SLS).
Vitesse de fabrication lente: le dépôt ponctuel du matériau rend le FFF plus lent que certains autres processus de fabrication automatique pour les pièces grandes et solides.
Besoin de structures de support: Cela ajoute au gaspillage de matériaux, augmente le temps d'impression et nécessite un travail supplémentaire de post-traitement.
6Applications de la technologie FFF
La polyvalence du FFF lui permet d'être utilisé dans une multitude de secteurs.
Prototypage rapide: L'application la plus traditionnelle, permettant aux concepteurs et ingénieurs de créer des modèles physiques pour tester la forme, l'ajustement et la fonction rapidement et à moindre coût.
Aides à la fabrication: le FFF est utilisé pour produire des joints, des fixations et des outils personnalisés pour les lignes de montage, ce qui peut réduire les temps et les coûts de production.
Éducation: son faible coût et sa simplicité opérationnelle font du FFF un excellent outil pour l'éducation en STEM, favorisant la créativité et l'apprentissage pratique en conception et en ingénierie.
Médical et dentaire: les applications comprennent des modèles anatomiques pour la planification chirurgicale, des prothèses personnalisées et des dispositifs d'assistance.
Pièces d'usage final: avec des matériaux de haute performance et des paramètres d'impression optimisés, le FFF est de plus en plus utilisé pour la fabrication de petits volumes de produits finis, en particulier dans l'aérospatiale, l'automobile,et des biens de consommation.
