Systèmes d'extrusion directe et Bowden

L'un des éléments les plus importants d'une imprimante 3D FDM est l'ensemble composé de l'extrudeuse et du hotend.

Le hotend est l'élément destiné à faire fondre le filament pour qu'il puisse s'écouler à travers la buse, tout en évitant que la chaleur ne soit transmise à l'extérieur de la zone dite chaude.

Pour cela, les hôtends se composent généralement de quatre parties:

• La buse ou nozzle : C'est l'élément à travers lequel le filament fondu s'écoule pour se déposer dans la pièce. Son diamètre détermine le diamètre du fil de matière extrudée et donc la résolution de l'imprimante en XY.
• Le bloc chauffant : c'est l'élément chargé de chauffer la buse jusqu'à la température d'impression et de la maintenir stable.
• Le heatbreak : il sert de pont à coupure thermique. Sépare la zone chaude de la zone froide.
• Le dissipateur thermique : Sa fonction est de maintenir la zone froide réfrigérée, en dissipant l'excès de chaleur transmis par le bloc chauffant.

Image 1: Températures à l'intérieur du hotend. Source: E3D.com

D'autre part, l'extrudeuse est chargée de tirer le filament dans le hotend afin qu'une pression suffisante soit générée à l'intérieur du hotend pour que le matériau fondu s'écoule constamment et de manière homogène à travers la buse.

Image 2: Extrudeuse directe. Source: E3D.com

Il existe actuellement deux façons de combiner le hotend avec l'extrudeuse: les systèmes d'extrusion directe et les systèmes Bowden.

Image 3: Schéma d'imprimante avec extrudeuse directe et bowden. Source: Recreus.com

Dans les systèmes d'extrusion directe, l'extrudeuse et le hotend forment un seul élément, minimisant la distance entre le point de traction et la buse.

Dans les systèmes d'extrusion Bowden, l'extrudeuse reste fixée dans le cadre de l'imprimante 3D et pousse le filament dans le hotend à travers un tube appelé tube Bowden.

Bien qu'il y ait eu beaucoup de discussions sur lequel des deux systèmes est le meilleur, les deux présentent de grands avantages, ainsi que certains inconvénients. Le choix du plus approprié dépendra de plusieurs facteurs tels que le type de matériau couramment utilisé, les vitesses d'impression ou la qualité du cadre de l'imprimante.

Rétractions

Lorsque l'extrudeuse pousse le filament dans le hotend, le filament se comprime en créant la pression nécessaire à l'intérieur de la buse pour que le matériau fondu s'écoule correctement. Cependant, lorsque nous ne voulons pas extruder de matière, il ne suffira pas d'arrêter de pousser le filament, car la pression résiduelle due à la compression fera couler la matière. C'est pourquoi chaque fois que le hotend est déplacé vers une nouvelle position et qu'il n'est pas nécessaire d'ajouter du matériau, le filament doit être rétracté de la distance nécessaire afin qu'il puisse décompresser et relâcher la pression à l'intérieur de la buse. Ceci est connu sous le nom de rétraction et est d'une grande importance dans le processus d'impression 3D.

Image 4: Diagramme de la rétraction. Source: sublimelayers.com

Étant donné que les plastiques ne sont généralement pas des matériaux rigides, plus la distance entre l'extrudeuse et l'extrémité chaude est grande, plus la compression du filament requise pour atteindre une pression adéquate au niveau de la buse est grande. Cela augmente également la distance de rétraction nécessaire pour libérer cette pression. C'est pourquoi, alors que dans les systèmes directs, les distances de rétraction sont généralement comprises entre 0,8 mm et 2 mm, dans les systèmes d'extrusion Bowden, elles peuvent atteindre des valeurs de 5 ou 6 mm.

La possibilité d'utiliser de faibles valeurs de rétraction présente des avantages importants. D'une part, les temps de rétraction sont plus faibles, ce qui dans des pièces qui impliquent de nombreuses rétractions peut représenter une réduction significative du temps d'impression. D'un autre côté, une faible distance de rétraction minimise le risque que la partie fondue du filament atteigne la zone froide du hotend, l'empêchant ainsi de se solidifier et de se dilater provoquant un bourrage.

Ce dernier facteur est la raison pour laquelle les extrudeuses Bowden nécessitent un étalonnage de rétraction plus complexe et précis, car il existe une très petite marge entre une valeur de rétraction trop faible pour provoquer un suintement ou un cordage et une trop élevée qui provoque des bourrages.

Filaments flexibles

Une autre conséquence directe de la distance entre l'extrudeuse et le hotend est le comportement des filaments flexibles.

Dans les systèmes Bowden, le filament est guidé de l'extrudeuse à l'extrémité chaude à travers un tube, généralement en téflon. Bien que le diamètre intérieur idéal du tube soit le même que celui du filament, en pratique, cela n'est pas possible, à la fois en raison des faibles variations de diamètre dues aux tolérances de fabrication et des forces de frottement élevées qui seraient générées. C'est pourquoi tous les tubes Bowden ont un certain jeu, et bien que la plupart des matériaux ne posent pas de problème, les tubes flexibles oui.

Image 5: Flexion du filament à l'intérieur d'un tube Bowden. Source: E3D.com

En raison de leur grande flexibilité, les matériaux tels que le TPU et le TPE ont tendance à fléchir à l'intérieur du tube Bowden, déviant les forces de traction de l'extrudeuse vers les parois du tube. Il est donc très difficile d'obtenir une pression constante sur la buse pour garantir une extrusion correcte.

De plus, dans les matériaux flexibles, la compression du filament nécessaire pour atteindre la pression adéquate dans la buse est beaucoup plus importante que dans le cas d'autres matériaux tels que le PLA, ce qui dans de nombreux cas oblige à utiliser des distances de rétraction excessivement élevées.

Malgré tout cela, avec une certaine expérience, ces matériaux flexibles de plus grande dureté peuvent être imprimés sur des systèmes Bowden, en particulier lorsqu'ils sont utilisés au format 2,85 mm ou 3 mm, on évite l'utilisation de rétractions et on utilise un tube Bowden de haute qualité et de diamètre serré, comme le Capricorne XS.

Image 6: Tube Bowden Capricorn XS. source: Captubes.com

Sans aucun doute, le système idéal pour travailler avec des matériaux flexibles est celui de l'extrusion directe. Le court trajet entre l'extrudeuse et le hotend minimise la compression du filament et lui permet d'être plus serré, l'empêchant de fléchir à l'intérieur. Ces extrudeuses dites compactes, telles que la Titan Aero ou surtout la E3D Hemera, permettent d'utiliser toutes sortes de matériaux flexibles de manière simple et avec une qualité d'impression élevée.

Inerties

Malgré le fait que, en termes de retrait et d'utilisation de filaments flexibles, les systèmes d'extrusion directe sont victorieux, il existe une caractéristique dans laquelle les systèmes Bowden se distinguent et qui, pour certaines applications, peuvent être d'une grande importance: les inerties.

L'un des paramètres d'impression de base est la vitesse. Et bien que de nombreuses imprimantes autorisent des vitesses allant jusqu'à 80 ou 100 mm / s, il existe une vitesse seuil au-delà de laquelle il est impossible d'imprimer sans sacrifier la qualité des pièces. En effet, le hotend ne peut pas se déplacer à une vitesse constante, mais chaque fois qu'il change de direction, il doit décélérer jusqu'à une certaine vitesse de changement de direction, puis accélérer à nouveau.

C'est à cause de la première loi de Newton. En raison de la masse du hotend, lors du déplacement, il a une certaine force d'inertie, plus grande quand plus grande est sa masse ou sa vitesse. Lors d'un changement de direction, la force d'inertie est transmise au reste de l'imprimante provoquant des vibrations et une perte de précision importante. Pour éviter cela, avant de changer de direction, il est nécessaire de réduire la vitesse à une valeur qui dépendra principalement de la rigidité de la structure de l'imprimante et du poids du hotend. Une structure moins robuste et légère impliquera l'utilisation des vitesses de changement de direction plus faibles et des courbes d'accélération et de décélération plus lentes, car sa capacité à absorber les inerties sera moindre, ce qui impliquera des vitesses plus faibles et des temps d'impression plus longs. La seule façon de réduire l'inertie est de réduire la vitesse ou le poids.

Image 7: Effet des vibrations provoquées par l'inertie sur la qualité d'impression. Source: 2Dprinterwiki.com

Et c'est ici que les systèmes Bowden jouent avec avantage. En bloquant l'extrudeur, qui est la partie la plus lourde, et en ne déplaçant que le hotend, l'inertie est considérablement réduite. Cela permet aux imprimantes 3D avec les systèmes Bowden d'utiliser des vitesses d'impression nettement plus élevées que celles avec un système direct, sans sacrifier la qualité d'impression.

Choix entre un système Bowden et un système direct.

Le choix entre un système direct et Bowden dépendra essentiellement de la priorité de la vitesse d'impression ou de la polyvalence et de la facilité d'utilisation de nouveaux matériaux.

Si vous cherchez à produire le plus grand nombre de pièces dans les plus brefs délais et en général, on n'utilise que des matériaux rigides tels que le PLA ou le PETG, une imprimante avec le système Bowden sera la meilleure solution.

D'autre part, si la priorité est d'utiliser des matériaux techniques et élastiques et d'obtenir la meilleure qualité possible au prix de sacrifier la vitesse d'impression, un système d'extrusion directe sera l'option idéale.