Fabrication avec une imprimante 3D

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1 Introduction

RapMan @ TECFA

1.1 Imprimantes 3D "desktop" - Petite histoire et types

L'impression 3D est une technologie de prototypage connue et utilisée depuis des années dans l'industrie. Les machines industrielles utilisant des procédés plus sophistiqués comme par exemple la fusion pas laser sont peu abordables, mais leurs prix commencent à baisser depuis 2011 (15'000 à 20'000 CHF pour un modèle connu).

Ce petit article donnera un survol de la conception d'objets 3D qui seront imprimables avec une imprimante 3D utilisant le procédé d'extrusion thermoplastique (fused filament fabrication). Un des premiers kits commerciaux fut le RapMan(angl.) Il coûtait environ 800 livres et son assemblage durait 3-4 jours au moins comme on l'a résumé dans l'article Assembling the RapMan. Aujourd'hui (2014) il existe des dizaines de modèles, soit en kit, soit (presque) prêts à l'emploi. L'article 3D printing (Anglais) contient une petite liste.

L'Origine des imprimante 3D bon marchés se trouve dans une recherche en intelligence artificielle sur l'auto-réplication et qui a aboutit au design RepRap (Replicating Rapid-prototyper) dont le premier prototype fut montré en 2006.

Plus tard, ce type de technologie a été rendu populaire par les movements Fablab ([Prof. Neil Gershenfeld), les Makerspaces, les Hackerspaces, etc. Plus d'informations sont disponibles dans la catégorie Fab Lab (en Anglais).

La meilleure méthode pour comprendre comment fonctionne une imprimante par extrusion thermoplastique est de regarder une vidéo, par exemple RapMan Becta video (Bits from Bytes Rapman winner of 2010 BETT award in the "Best digital device" category), de BECTA, l'organisme du gouvernement Anglais pour l'encouragement des nouvelles technologies dans l'éducation). La video enregistrée (avec un tel. portable) lors de la journée "Elargis tes horizons" (2013), montre deux imprimantes Felix de TECFA.

On s’intéressera à la fois à la conception assistée par ordinateur (notamment au dessin 3D et la conception paramétrique) et à la fabrication par ordinateur (computer-aided manufacturing) avec ce type d'imprimante. Par contre, on vous épargne l'assemblage. On fera des renvois à des articles plus détaillés dans documentation plus extensive edutechwiki anglais.

2 Survol de la procédure

(1a) Modéliser un objet

(1b, alternative) Sélectionner et/ou adapter et/ou paramétrer et/ou assembler des objet existants

(2) Traduire en format .STL. (Avec un bon outil, il suffit d'exporter.)

(3) Redimensionner, positionner et réparer le STL

(4) Générer le code machine à partir du STL (g-code)

(5) Imprimer (envoyer le g-code sur l'imprimante)

Modèle design et impression d objets 3D

Process de production
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Process de production


3 Conception assistée par ordinateur

«La conception assistée par ordinateur (CAO, ou CAD pour computer-aided design) comprend l'ensemble des logiciels et des techniques de modélisation géométrique permettant de concevoir, de tester virtuellement - à l'aide d'un ordinateur et des techniques de simulation numérique - et de réaliser des produits manufacturés et les outils pour les fabriquer.» (Wikipedia, , consulté le 17 novembre 2010 à 18:11 (CET))

En l'occurrence, nous nous intéressons plus particulièrement à la conception d'objets en trois dimensions par ordinateur.

Il existe plusieurs types d'outils:

  • les outils de dessin/modélisation 3D (donc les mêmes que l'on utilise pour créer des objets et scènes 3D pour des pages 3D sur le web ou encore les jeux).
  • les outils de dessin 3D assisté par ordinateur qu'on utilise plutôt pour créer des objets "techniques" dans la CAD.
  • des scripts
  • des outils d'assemblage et manipulation de mailles

Chaque type d'outils possède ses avantages et désavantages, et bien sûr, on peut combiner leur usage.

3.1 Les outils de modélisation 3D

Un outil de modélisation 3D est fait avant tout pour créer des scènes digital 3D. Ce type d'outil peut servir à créer des modèles 3D pour la fabrication digitale, mais il existe des inconvénients, notamment l'imprécision et la parfois mauvais qualité du maillage.

Dans le monde "RepRap" l'outil de modélisation le plus populaire était au début Art of Illusion. Art of Illusion possède certaines caractéristiques qui le rendent utile pour la CAD. Sketchup et Blender sont aujourd'hui également ou plus populaires.

Sketchup est facile à apprendre, mais l'exportation est difficile et de qualité douteuse. Seul le format Collada est autorisé et il va falloir passer par un logiciel de traduction comme Meshlab pour obtenir un *.STL ou (très pénible) essayer de dénicher un plugin Sketchup qui marche avec la version récente que vous avez installé chez vous. (su2stl et Sketchup SKP files to DXF or STL ne marchent probablement plus).

Blender est le logiciel de conception 3D professionel et gratuit le plus populaire, mais il est très difficile à apprendre. Il existe un livre, Blender 3D Printing Essentials qui adresse quelques spécificités et un texte gratuit en français: Blender pour l'impression 3D

Il existe aussi un type de logiciel avec lequel on peut sculpter. Idéal pour créer des objets "artistiques" et plus facile à apprendre. On conseille Sculptris‎‎ (Angl.). Il existe aussi un tutoriel assez complet en français. La version alpha du produit (qui marche assez bien) est gratuite.

Voir 3D modeling pour plus de liens

3.2 Logiciels de dessin CAD

Les outils de dessin technique fonctionnent selon une logique un peu différente. Enfin dans le monde de la modélisation 3D chaque outil possède aussi sa logique très spéciale...

Un bon outil dont le développement a malheureusement été stoppé par Autodesk est Autodesk 123D Design (et toute la suite 123D). Le programme reste cependant disponible à travers d'autres site tel que 01net.com : http://www.01net.com/telecharger/windows/Multimedia/cao_et_dao/fiches/114380.html. Ce dernier a été remplacé par Tinkercad qu'Autodesk a racheté. Plus d'informations sur ce produit sont disponibles deux paragraphes plus bas.

Aux ambitieux, on conseille aussi l'outil CoCreate Modeling Personal Edition. Il s'agit d'une version réduite d'un produit commercial un peu pénible à télécharger, mais toutefois très intéressant. Ce produit offre en plus des tutoriels intégrés. Attention à prendre la bonne version (en nov 2010, c'est la version 3.0 et qui existe pour Win 32bit, Win64-bit

Dans le monde open source, on parle de FreeCAD (pas testé récemment).

Finalement, il commence à exister des éditeurs 3D en ligne qui sont assez faciles à utiliser. Par contre, ils sont de puissance limitée et peuvent "coincer" facilement. On conseille Tinkercad, qui intègre maintenant la possibilité de faire un peu d'électronique avec Tinkercad Circuits, et 3DTin (nécessitent des navigateurs dernier cri avec WebGL mis en route.

3.3 OpenSCAD

OpenSCAD est un outil open source de plus en plus populaire pour créer des objets 3D avec des fonctions au lieu de les dessiner. Pour les personnes ayant des notions de base en programmation, il s'agit d'une alternative très pratique pour créer des objets ayant des formes relativement simples ou qui peuvet être constitués par l'addition et la soustraction d'objets simples. Pour créer des objets compliqués, il faut avoir des bonnes notions de maths.

Voir le OpenScad beginners tutorial

4 Manipulation de mailles et réparation

4.1 Le format STL et les outils de réparation

Pour qu'une imprimante 3D puisse imprimer un objet il faut lui envoyer du code machine qui est en règle générale généré à partir du format STL (StereoLithography Interface Specification). En gros, le format STL ne décrit que la surface d'un objet avec des triangles.

Il existe des alternatives à STL, et notamment le format PLY (Wikipedia). Certains logiciels générateurs de g-code comme skeinforge, peuvent aussi lire le format OBJ (Waveform).

Pour réparer un fichier .STL (par exemple, le rendre "watertight" etc.) et pour positionner voir redimensionner un objet, on conseille le gratuit Netfabb studio basic. Il est facile à apprendre et à utiliser, en tout cas le positionnement. A retenir, on produit à partir d'un STL source (pas forcément correct, de bonne taille et en une bonne position) un nouveau STL qui représente l'objet tel qu'il va se construire dans l'imprimante. Netfabb permet également de créer certains objets très simples, mais attention, on peut seulement exporter un objet à la fois dans la version gratuite.

Logiciels professionnels

La version pro de Netfabb permet notamment de faire des assemblages (donc on conseille l'achat). Toutefois, une alternative gratuite pour assembler des STL est Meshlab. Voir Meshlab for RapMan tutorial qui explique la procédure. L' assemblage est un peu difficile la première fois, car il faut apprendre l'interface de Meshlab. Ceci dit, si on positionne les objets avec Netfabb d'abord, c'est pas compliqué. Meshlab est aussi utile pour traduire pleins de formats 3D en STL (si votre outil de conception ne sait pas le faire).

Voir aussi:

4.2 Positionnement

Ensuite, il faut positionner un objet de sorte à ce que le bas de l'objet ait les coordonnées z=0. En gros, si z n'est pas égal à zéro, la zone d'impression s'enfonce dans le lit d'impression ou encore on imprime dans le vide. si x et y ne sont pas à peu près centrés, la tête d'impression va cogner contre les bords. Ceci dit, aujourd'hui la plupart des logiciels de gestion positionnement les objets à Z=0.

4.3 Opérations de réparation

Des logiciels comme Netfabb (cliquer sur le "+") ou Meshlab permettent de réparer des fichiers STL.

Réduction de triangles

Certains objets sont inutilement détaillés (notamment les scans) et il faut réduire le maillage.

Meshlab permet de réduire relativement facilement la taille le nombre de triangles d'un objet. On conseille de réduire tous les objets de type "sculpté".

Elimination de structures internes inutiles

Pour éliminer des structure internes inutiles, utilisez le logiciel gratuit "Meshmixer" de Autocad et la fonction "Make solid". Mais attention, cela peut créer un objet très large qu'il va falloir réduire de nouveau. Lire ce blog)

Un objet doit être fermé

  • Il faut créer ce que l'on appelle un modèle "solid body". Les "murs" d'une maison ouverte doivent avoir une "largeur" même si elle est faible (1mm). Chaque "trou" doit etre fermé.

L'objet doit être 2-manifold

  • Chaque ligne ("edge") doit appartenir à exactement 2 triangles (ou autres polygones), ni plus ni moins !

Les faces doivent être orientés vers l'extérieur

Chaque triangle a une orientation. Son "normal" pointe soit vers l'intérier (faux) soit vers exterieur (juste).

Tenez compte de la résolution de l'imprimante et de la solidité de l'objet

  • Pas de détails inutiles, on ne les verra pas
  • Pas de structures trop faibles. Votre objet va se casser lorsqu'il tombe par terre.

5 Le partage d'objets

Les imprimantes 3D de type RepRap ont clairement ajouté une dimension au "open". Après le open source et le open content, voilà le open design.

Il existe un lien fort avec d'autres mouvements de "bricolage partagé" (Do-It-Yourself (DIY) communities) et les Fab Labs. «La notion de Fab lab (contraction de fabrication et laboratory) désigne tout type d'atelier composé de machines-outils pilotées par ordinateur et nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC) et pouvant fabriquer rapidement et à la demande des biens de nature variée (vêtements, livres, objets décoratifs, etc.).» (Wikipedia, consulté le 17 novembre 2010 à 18:11 (CET)).

De nombreux forum traitent de l'open design en impression 3D. Un voici un: Open3DP - Open 3D Printing Forum (en anglais)

On peut partager un objet 3D imprimable de plusieurs façons:

  • Code source d'un fichier crée avec un logiciel CAD ou un modéliseur 3D
  • Code source paramétrable (donc adaptable à des situations différentes)
  • Fichier en format .STL (ou .OBJ) qui définit une forme imprimable

Il existe plusieurs sites de partage connus.

Thingiverse est sans doute le meilleur et le plus connu. Il fonctionne selon les principes du "social web 2.0". Les créateurs et utilisateurs peuvent avoir leur profil. Les designs peuvent être annotés et commentés et leurs modifications et utilisations peuvent faire l'objet d'une nouvelle entrée. Un exemple (et pas le meilleur) est la page de DKS. Vous y verrez les outils qu'il possède, les objets qu'il a crée et leur généalogie, description etc. si vous suivez les liens.

Pour chercher ce que les gens font avec les imprimantes 3D, il faut simplement chercher avec les bon tags, par exemple "lego reprap" pour indique que vous cherchez "Lego" pour une imprimante de type "Reprap". Sinon, vous pouvez aussi chercher via menus, par exemple la tool galaxy

Type de fichiers que l'on trouve dans ces dépositoires:

  • Les fichiers de type .STL sont pensés pour être imprimables en 3D. Encore faut-il vérifier que l'objet ne soit pas trop grand ou autrement difficile à imprimer (voir le ci-dessous)

Vous y trouvez aussi des designs utilisables sous forme

  • .scad. Le format du langage openscad (Un fichier .scad est facile à utiliser si vous ne desirez pas faire des changements autres que les paramètres documentés)
  • Formats similaires comme *.PLY ou encore *.OBJ
  • Formats CAD variés comme *.dfx (Autocad)
  • Formats 3D comme *.obj

Voir: en:3D file format

6 Le choix du polymère

Il existe plusieurs types de polymères ; nous en mentionnons deux:

  • ABS a l'avantage d'être très solide (le plastique des voitures et des Légos et fait avec du ABS), mais a le désavantage de se plier lorsqu'on imprime un objet qui dépasse une certaine largeur (2-3cm à la base). Certaines personnes ont installé un lit d'impression chauffé à 60 degrés ou encore collent un l'adhésif pour tapis pour que l'ABS ne décolle pas. Les deux stratégies semblent marcher.
  • Le PLA est nettement moins solide, mais écolo (fait avec de la fécule de maïs ou de betterave). Il ne se plie pas, mais est plus difficile à imprimer, c.a.d le fil peut se casser ou encore se coincer. Ceci dit, avec la popularité croissante des imprimantes 3D, il existe (semblerait-il) maintenant des variantes faciles à imprimer.
  • Alternative amusante et décalée, le polymère peut être remplacé par de la nourriture. En 2009, l'institut français d'art culinaire, l'école d'art culinaire de New York City avait déjà tenté l'expérience avec l'imprimante 3D libre Fab@home15. C'est maintenant le Massachusetts Institute of Technology qui travaille actuellement sur l'impression de nourriture avec son projet nommé Cornucopia.

7 Génération et calibrage du g-code

Les imprimantes RepRap fonctionnent avec un langage de commande simple qui s'appelle G-code. En gros, le g-code dit à la tête d'impression de se positionner à un endroit X et ensuite bouger vers un endroit Y en sortant du plastic à une certaine cadence. Ensuite on peut aussi règler la température, le ventilateur, etc.

Un objet défini en 3D ne dit pas encore comment il doit être imprimé. Pour chaque type de machine, il faut créer un code différent. Ensuite, il faut prendre des décisions en fonction des caractéristiques de l'objet que l'on veut obtenir.

Pour traduire du .STL en code machine g-code, il existe plusieurs logiciels. Pour le moment, nous en citons trois:

(1) Skeinforge. Ce logiciel est gratuit et nécessite également l'installation du langage Python (facile à faire). Son utilisation est moins facile et on conseille de s'inspirer de "profils" discutés sur des forums et wikis.

Pour Skeinforge il existe des produits dérivés qui simplifient la configuration. Par exemple

  • SFACT, une variante plus simple. Une version déjà bien calibrée pour le Felix est ici (inclus dans Repetier Host)
  • Axon. Version "end user" de Skeinforge pour les imprimantes BFB. Permet de régler quelques paramètres de base. Les profiles fournis sont ok pour des objets relativement simples.

(2) Netfabb vend un slicer commercial, mais uniquement pour certaines imprimantes.

(3) Slic3r est le soft gratuit le plus simple à utiliser, rapide mais un peu moins puissant que skeinforge.

Pour inventaire un peu plus complet, voir Slicers and user interfaces for 3D printers

Calibrer un objet pour qu'il soit imprimable en tenant compte des facteurs type d'objet, qualité désiré/vitesse d'impression, type d'usage, type de plastique, type d'imprimante, etc. n'est pas chose très facile

Les paramètres les plus importants à régler sont:

  • Hauteur/largeur d'une couche, donc du fil déposé. Par défaut c'est 0.4mm dans Skeinforge.
  • Largeur de la coquille (wall en Anglais) en ratio par rapport à largeur de la couche. Par défaut, environ le double de la hauteur d'une couche.
  • Solidité du "infill" (en pourcentage). Plus on remplit l'objet, plus il sera solide mais plus il coute cher et l'impression et lente. Skeinforge génère automatiquement une structure de remplissage. Typiquement on remplit un objet entre 5 et 30%)
  • Vitesse de la tête d'impression. Par défaut 16mm/seconde
  • Taux d'extrusion de plastic. Par défaut 21 tours / minute

Ensuite il existe des paramètres importants par rapport au type de plastic que l'on utilise:

  • La température est très différente selon le type de polymère. Pour du ABS entre 240 et 250, pour du PLA entre 200 et 210.
  • Pour du ABS, il faut d'abord imprimer un "lit" (Angls. "raft" qui collera contre la plaque d'impression.

Finalement, il existe de douzaines d'autres paramètres. On renvoie de nouveau à Skeinforge for Rapman

8 Postprocessing

Le résultat d'une impression possède des imperfections. On peut en corriger certaines.

Lire Traitement d'imprimantes polymériques 3D

In english Post processing of 3D polymer prints

9 Liens

9.1 Pages web

9.2 Ressources

9.3 Tutoriels

C.f. aussi la catégorie RapMan dans EduTechWiki Anglais

RepRap page on using Art of Illusion for engineering design