Tranchage en impression 3D

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Une imprimante 3D permet de fabriquer un objet tridimensionnel à partir d'un modèle tridimensionnel numérique. Le principe d'impression consiste le plus souvent à superposer des couches de matières planes pour reconstituer, par addition, le volume de l'objet. Il est donc nécessaire de fournir à l'imprimante les instructions nécessaires à la réalisation de ces couches en deux dimensions. C'est la conversion du modèle 3D en instructions pour l'imprimante que l'on appelle tranchage (ou slicer).

1 Première approche du tranchage pour une imprimante 3D par dépôt de matière

La technologie d'impression 3D la plus répandue est celle par dépôt de matière fondue. On parle d'imprimante 3D FDM (Fused Deposition Modeling) ou FFF (Fused Filament Fabrication). Le procédé consiste à déposer par extrusion, c'est-à-dire en compressant la matière dans une filière profilée, des couches d'un matériau thermoplastique fondu (entre 180°C et 260°C selon les matériaux).

Schéma imprimante 3D

Le schéma simplifié nous donne une première idée des instructions qui vont être nécessaires à l'imprimante :

  • la buse va devoir se déplacer selon des coordonnées x, y et z : elle dépose sur le plateau selon un parcours précis des couches d'une certaine épaisseur à une vitesse donnée ;
  • le filament se déplace et sa vitesse de déplacement dépend de la vitesse de rotation du moteur de l'alimenteur ;
  • le matériau du filament a une température de fusion précise.

Par ailleurs, l'objet à imprimer possède ses propres exigences notamment en ce qui concerne sa solidité ce qui va nécessiter des instructions en terme de remplissage et d'épaisseur de surface.

C'est par l'intermédiaire de logiciels de tranchage que vont pouvoir être ajustés ces différents paramètres.

2 Du fichier STL au fichier tranché

Pour pouvoir imprimer un objet, vous devez disposer d'un fichier 3D. Il peut être créé à partir d'un logiciel de modélisation 3D (comme Tinkercad) ou un outil de manipulation de maillage (comme Meshlab) ou récupéré via des sites spécialisés ou des scans 3D. Quelle que soit la méthode choisie, ce fichier doit être exporté dans un format particulier. Le plus standard est le format STL qui décrit la surface externe de l'objet en la définissant par une série de triangles aux propriétés spécifiques. Il existe d'autres formats comme l'OBJ ou le 3MF.
Le fichier STL doit être préparé pour l'impression car l'imprimante 3D ne peut rien faire de la description des facettes qu'il contient. Elle ne peut réaliser que des couches et a besoin de coordonnées précises. Le logiciel de tranchage permet de convertir le modèle 3D en une série de fines couches et génère ainsi un fichier tranché en format G-code à partir du fichier STL.

3 Les principaux paramètres à régler

Le trancheur permet de calculer les couches qui seront imprimées ce qui revient à découper l'objet en intervalles de hauteur réguliers. De nombreux paramètres peuvent être ajustés afin d'adapter l'impression à l'imprimante 3D et à la qualité souhaitée de l'objet. Les principaux sont les suivants :

  • la qualité, exprimée surtout par la vitesse et l'épaisseur des tranches;
  • les périmètres et le remplissage ;
  • le diamètre de la buse d'extrusion ;
  • les températures d'extrusion et du lit d'impression ;
  • l'épaisseur des tranches
  • la vitesse d'impression ;
  • la ventilation.

Il est par ailleurs important de régler correctement les paramètres de la première couche afin qu'elle adhère correctement. Cela permet de réduire les risques de décollement de l'objet.

3.1 Qualité

Plus la hauteur des couches est fine, plus leur nombre est grand et meilleure est l'approximation du modèle 3D.

En 2019, 0.2mm est considéré être une qualité moyenne.

Une qualité faible ou brouillon utilise également une vitesse élevée.

3.2 Périmètres et remplissage

Le trancheur distingue deux composants dans une couche : les périmètres et le remplissage.

Le périmètre représente le chemin parcouru par la tête d'impression pour fabriquer le contour externe de l'objet. On peut spécifier le nombre de périmètres qui doivent être construits pour ajuster l'épaisseur de la coque externe de l'objet.

Le trancheur doit également connaître l'épaisseur des parois du dessous et du dessus de l'objet. On conseille de multiplier l'épaisseur de la couche de plafond par 3.

Le remplissage est paramétré par :

  • le taux de remplissage : la valeur est exprimée en pourcentage et varie entre 0% (objet creux) et 100% (objet entièrement rempli de plastique). Généralement l'objet est partiellement rempli et le remplissage peut suivre différents motifs.
  • le motif de remplissage : le remplissage peut prendre de nombreuses formes : grille, lignes, structure en nid d'abeille, etc. Le choix du motif aura une influence sur la solidité de l'objet.

3.3 Diamètre de la buse d'extrusion

Le diamètre de la buse d'extrusion permet de définir la largeur minimale des lignes de plastique qui seront déposées et intervient dans le calcul des chemins parcourus par la tête d'impression. Les buses les plus précises ont une taille entre 0,2 mm et 0,35 mm. Les buses les plus communes varient entre 0,4 mm et 0,6 mm, ce sont celles qui garantissent le meilleur compromis rendu/rapidité d'impression.
Il est conseillé de ne pas déposer des couches supérieures à 80% du diamètre de la buse. Pour une buse de 0,35 mm (comme l'imprimante 3D de Tecfa), les couches déposées ne devront pas dépasser 0,28 mm d'épaisseur.

3.4 Températures

Les imprimantes 3D déposent du plastique fondu. Afin de définir la température optimale d'impression, il est important de préciser la température d'extrusion (qui est à peu près égale à la température de fusion du matériau utilisé) ainsi que la température du lit d'impression.

Matériau Description Température d'extrusion (en °C) Température du lit d'impression (en °C)
PLA Polylactic Acid : matière plastique d'origine végétale utilisant l'amidon de maïs comme matière première. Une des matières standard pour l'impression 3D grand public 190-230 20-60
ABS Acrylonitrile Butadiène Styrène : polymère thermoplastique à base de pétrole dont les propriétés sont analogues aux briques Lego. Une matière également standard pour l'impression 3D grand public. 230-250 80
Nylon Matière plastique de type polyamide. 240-260 60

3.5 Vitesse d'impression

La valeur de la vitesse d'impression (mesurée en mm/s) dépend des propriétés du plastique choisi ainsi que de la qualité d'impression souhaitée. Généralement, imprimer lentement améliore la qualité de l'objet.

Matériau Vitesse d'impression (en mm/s)
PLA 30 à 90
ABS 30 à 70
Nylon 30 à 70

3.6 Traitement de la première couche

Afin de favoriser une meilleure adhérence, il est important d'imprimer avec attention la première couche. Il est conseillé de diviser la vitesse d'impression par 10 et d'ajouter 25% d'épaisseur.

3.7 Ventilation

La ventilation réduit l'adhérence entre les couches mais permet de prévenir les déformations dues aux changements thermiques. C'est au niveau des coins et des parties suspendues que cette dernière est le plus problématiques (surtout pour le PLA). Il est ainsi conseillé d'activer la ventilation à partir de la deuxième couche pour refroidir la pièce et minimiser les déformations.

3.8 Exemple de réglages

Vous trouverez dans cette rubrique la valeur des différents paramètres du trancheur Cura permettant d'imprimer des pièces lego-compatibles à l'aide de l'imprimante 3D de Tecfa.

4 Les logiciels de tranchage

4.1 Différents types de logiciels

Il existe deux principaux types de logiciels de tranchage :

  • les logiciels de tranchage intégrés qui convertissent directement un fichier STL en code machine utilisable par l'imprimante ;
  • les logiciels de tranchage qui disposent d'une interface permettant à l'utilisateur d'effectuer des réglages et d'ajuster différents paramètres d'impression.

4.2 Quelques exemples de logiciels

Logiciel Niveau de difficulté Avantages/inconvénients Système d'exploitation compatible Coût
Cura Débutant, avancé + logiciel open source gratuit, facile à prendre en main pour les débutants, plus de 200 réglages pour les experts, large communauté d'utilisateurs, possibilité d'intégrer des plugins, profils pré-programmés.

- difficile de gérer et optimiser les supports, ne détecte pas et ne répare pas les fichiers .stl corrompus

windows, mac, linux gratuit
Netfabb Débutant, avancé + très performant dans l'analyse, la réparation et l'édition de fichiers STL avant le tranchage

- compatible seulement avec windows, abonnement obligatoire

windows payant, une version d'essai gratuite de 30 jours
Simply3D Débutant, avancé + permet de paramétrer avec une grande précision, permet d'imprimer plusieurs pièces simultanément avec leurs propres réglages, contrôle précis des supports

- prix élevé

windows, mac payant
OctoPrint Intermédiaire, avancé + logiciel open source gratuit, fonctionne comme un serveur : permet de contrôler l'imprimante de n'importe quel endroit à partir de n'importe quel appareil, possibilité d'intégrer des plugins

Utilise Cura --> voir +/- Cura

raspberry PI, windows, mac, linux gratuit
Slic3r Intermédiaire, avancé + logiciel open source gratuit, détecte et répare les fichiers .stl corrompus, nombreux réglages disponibles

- temps d'impression, gestion des supports

windows, mac, linux gratuit

Vous trouverez des informations complémentaires sur la page Slicers and user interfaces for 3D printers (anglais).

5 Sources