Dépôt de fil fondu

Le dépôt de fil fondu (DFF) ou Fused deposition modeling (FDM) ou encore Fused Filament Fabrication (FFF) est une technologie d'impression 3D.

Cette technologie consiste à déposer de la matière par couche. La technologie utilise un filament de matière polymère qui est fondu puis extrudé pour construire une pièce couche par couche. Ces filaments peuvent être composés de diverses matières, mais les plus communes sont le PLA et l’ABS.

La buse d'extrusion se déplace afin de construire la géométrie^[pas clair]. Et, selon les machines, le plateau ou la buse se déplace à la fin de la création d’une couche, pour déposer la suivante.

Histoire

Cette technique a été mise au point en 1988 au sein de l’entreprise Stratasys, sous le nom de FDM. Le brevet de la technologie a expiré en 2009 et, tout de suite après cela, la diffusion des imprimantes DFF a connu un grand succès. Le terme Dépôt de Fil Fondu est neutre en français, mais en anglais il est préférable d'utiliser l'acronyme de FFF, car celui-ci a été formulé après la fin du brevet par des associations telles que RepRap, alors que le nom FDM reste la propriété de Stratasys.

Procédé

Vidéo d'une imprimante DFF en plein travail

Le DFF utilise l’extrusion d’une matière polymère qui est poussée dans une buse d’impression. Dans la grande majorité des imprimantes, la matière est stockée sous la forme d’un filament. La buse d’impression est chauffante, et fait fondre le polymère lors du passage dans la buse. Le débit d’impression est contrôlé par une roue en amont de la buse. Celle-ci tourne et entraîne le filament, le forçant dans la buse.

Le polymère qui est éjecté de la buse par la pression est en fusion et va se coller sur le matériau en dessous de lui. Afin de contrôler le dépôt, et afin de rester en phase liquide, la hauteur entre la buse et le matériau sur lequel on imprime est contrôlée. Cette distance, que l’on appelle hauteur de couche, est directement reliée au diamètre de la buse. En effet, les buses ont un diamètre qui varie commercialement entre 0,3 et 1 mm et la hauteur de couche ne doit pas dépasser le tiers de ce diamètre. La hauteur de couche varie donc entre 30 et 300 μm sur les imprimantes du commerce, selon la buse.

Variantes

La technique de DFF ne nécessite pas que la matière soit sous la forme d’un filament : celle-ci peut aussi prendre la forme d’un cylindre, d’une pâte/barbotine (dans ce cas, il n'y a pas de fusion de la matière, qui est déjà sous une forme fluide, mais une injection par piston, le reste de la technique étant le même), ou de granules.

L’impression

Le DFF commence à la création de la pièce à l'aide d'un logiciel de CAO. Ce modèle est exporté sous forme d'un fichier STL dans lequel la pièce est représentée par un ensemble de triangles orientés dans l'espace à trois dimensions. Ce fichier est interprété par un logiciel d’impression – tel que Cura – qui découpe le solide en tranches et crée des supports si nécessaire. La buse suit un parcours pour chaque couche, celui-ci est contrôlé par de nombreux paramètres dans le logiciel d’impression, comme le taux de remplissage, le motif de remplissage, la hauteur des couches, le nombre de cordons d’impression… Ce solide tranché est ensuite transformé en instructions pour l’imprimante 3D, sous forme d’un fichier GCODE. Celui-ci contient les instructions de déplacement de la buse selon les axes X et Y et, en fonction des machines, les instructions de déplacement de la buse ou du plateau selon l'axe Z. Le GCODE est ensuite traduit par l’imprimante qui actionne des moteurs (servomoteur ou pas-à-pas) afin de traduire le mouvement. À chaque fin de couche, la distance entre le plateau et la buse augmente de l’incrément de hauteur de couche. Ce procédé continue jusqu’à la fin de la pièce.

Afin d’avoir une bonne adhérence entre le cordon et la couche inférieure, que ce soit la pièce ou le plateau, la température doit être contrôlée. En effet, les plateaux sont chauffés au-dessus de 60 °C, et le contrôle de température de la chambre d’impression (ou de la pièce s'il n'y a pas de chambre) permet une meilleure impression en évitant les malformations. De plus, une atmosphère contrôlée en gaz inerte améliore la qualité des impressions, mais la mise en place d’une enceinte étanche autour de l’imprimante et le contrôle du contenu de celle-ci est plus difficile pour le grand public que celle d’une simple enceinte isolante.

Le matériau d’impression

De nombreux types de polymère sont disponibles pour l’impression. Des matériaux plastiques sont de plus en plus utilisés dans le domaine industriel. Les plus courants sont le PLA, l’ABS, le PVA en tant que support, car soluble à l’eau, le PC, le Nylon, le PET(G), le PP et le PA. On peut aussi trouver des matériaux renforcés avec des fibres, notamment du PLA/PET chargé en fibres de carbone ou du Nylon chargé en fibres de verre. De plus, certains filaments à but esthétique sont chargés en bois, en pierre ou en métal afin que la texture, le poids et l’esthétique soient différents de ceux du plastique. Enfin nous pouvons retrouver des filaments flexibles tel que le TPU. A noter que pour imprimer ce genre de matériaux, il faut que le moteur entraînant la roue cranté servant à pousser le filament dans la buse soit monté en "direct drive". C'est a dire directement sur la tête d'impression. Cet installation est nécessaire pour éviter que le filament de se tasse dans la tube guide utilisé dans le cas d'un moteur d'extrusion déporté. Ce type de filament présente des propriétés mécaniques très intéressantes

Mécanisme d'extrusion

Phénomènes physiques

Durant l’extrusion, le filament en polymère est poussé dans la buse d’impression par des rouleaux. Au contact de la buse chauffée et par diffusion, le filament passe à un état visqueux et, avec la pression générée par l’avancée continue du filament, est extrudé de la buse. Le flux de la matière, les paramètres de chauffe et le comportement du flux sont les principaux phénomènes à prendre en compte durant une impression.

Puisque les rouleaux sont les seules pièces contrôlées durant l’extrusion, le filament subit  :

1. une contrainte en extension entre les rouleaux et la bobine.
2. une contrainte en compression entre les rouleaux et la buse.

La force requise pour extruder la « fonte » doit être suffisante pour contrer la perte de charge à travers le système. Cette perte de charge dépend de la viscosité du filament une fois passé à l'état fluide et de la géométrie de l’écoulement. Des phénomènes de rhéofluidification se manifestent durant l’extrusion.