Impression 3D à grande vitesse

Ces derniers mois, le concept d'impression 3D FFF à grande vitesse est devenu très populaire grâce au lancement du kit Hyper FFF pour la série Pro3 de Raise3D et, par la suite, aux capacités d'impression à grande vitesse de certains nouveaux modèles tels que la Bambulab X1, l'Ankermake M5 ou la Prusa MK4 et la Creality K1 récemment introduites.

Ces nouvelles imprimantes promettent des vitesses d'impression jusqu'à cinq fois plus rapides sans affecter la qualité des pièces, mais quelle est la part de réalité et quelle est la part de marketing ?

Tout d'abord, il est nécessaire de comprendre les limites et les problèmes qui surviennent lors de l'impression à grande vitesse.

Limites de l'impression 3D à grande vitesse

Le concept d'impression 3D FFF à grande vitesse fait généralement référence aux imprimantes 3D de bureau. En effet, ces imprimantes, en raison de leur coût et de leur construction compacte, sont plus sensibles aux vibrations dues aux mouvements et leurs têtes, plus compactes que celles des équipements industriels, ne sont pas préparées à extruder des débits volumétriques élevés. C'est pourquoi la vitesse maximale qu'une imprimante 3D FFF peut accepter dépend de trois facteurs :

• La perte de précision et de qualité causée par les vibrations de la structure.
• Le débit volumétrique maximal que la tête d'impression est capable d'extruder.
• Le comportement thermique du matériau d'impression.

Image 1 : Imprimante 3D industrielle FFF (à gauche) et imprimante 3D de bureau FFF (à droite). Source : Raise3D.

Les vibrations et leurs effets sur la qualité de l'impression

L'augmentation de la vitesse et de l'accélération des broches entraîne une augmentation de l'inertie transmise à la structure et donc des vibrations. À faible vitesse, les structures des imprimantes ont une capacité suffisante pour absorber et amortir les vibrations. Toutefois, à mesure que les valeurs de vitesse et d'accélération augmentent, le risque d'un phénomène de résonance s'accroît. Lorsque la structure entre en résonance, elle se met à vibrer à une fréquence spécifique caractéristique de chaque imprimante.

Cette vibration est transmise à la broche pendant le mouvement, avec deux conséquences :

• Perte de précision du positionnement.
• Apparition d'un motif ondulé à la surface de la pièce.

La fréquence et l'amplitude des vibrations varient en fonction de la rigidité de la structure. Les structures plus stables auront des fréquences de résonance plus élevées et des amplitudes plus faibles, ce qui entraînera moins de perte de précision et un effet moins visible sur la surface de la pièce.

Image 2 : Motif marqué sur la surface d'une pièce en raison de la résonance. Source : simplify3D.com.

La façon la plus courante de traiter ce problème sur les imprimantes 3D FFF de bureau consistait à développer des structures mécaniquement plus stables, jusqu'à ce que Klipper, un micrologiciel gratuit alternatif à Marlin, mette en œuvre une méthode de compensation de la résonance basée sur la méthode de contrôle des vibrations "Input Shaping". Cette méthode logicielle signifie qu'une fois la fréquence de vibration connue, une séquence d'impulsions est envoyée aux moteurs pour faire vibrer la broche selon un schéma inverse à la résonance, annulant ainsi les vibrations de la broche pendant le mouvement. Cette approche est similaire à celle utilisée, par exemple, dans les casques antibruit ou les stabilisateurs optiques.

Vidéo 1 : Exemple de compensation des vibrations à l'aide de la méthode de mise en forme de l'entrée. Source : ACS Motion Control.

Limitations du débit du volume d'extrusion

Une autre limite importante de l'impression à grande vitesse est la capacité maximale d'une filière à fondre et à extruder le plastique. Ce concept, connu sous le nom de vitesse volumétrique maximale, est un paramètre spécifique à chaque hotend et varie en fonction du matériau utilisé. La vitesse volumétrique maximale est liée à trois variables :

• Diamètre de la buse
• Hauteur de la couche
• Vitesse d'impression maximale

Selon le rapport suivant :

Par conséquent, pour une imprimante donnée, la vitesse d'impression maximale est également limitée par la caractéristique de vitesse volumétrique maximale de son extrudeuse selon le rapport suivant :

La vitesse volumétrique maximale la plus courante d'une imprimante de bureau lors de l'impression d'ABS est d'environ 10 mm³/s, ce qui implique que la vitesse maximale théorique à laquelle l'ABS pourrait être imprimé avec succès en utilisant la configuration standard basée sur une hauteur de couche de 0,2 mm et une buse de 0,4 mm ne serait que de 125 mm/s. Si nous utilisons également une autre configuration courante telle qu'une buse de 0,6 mm et une hauteur de couche de 0,3 mm, la vitesse d'impression maximale tomberait à 55 mm/s. L'utilisation de vitesses plus élevées impliquerait un risque élevé d'extrusion manquante et de délamination des couches.

Image 3 : Hotend volcanique, avec une zone de fusion plus large que les hotends conventionnels. Source : e3d-online.com.

Afin d'augmenter la vitesse volumétrique maximale, de nouvelles conceptions de hotend et de buses ont été développées. Par exemple, les hotends Volcano d'E3D peuvent augmenter la vitesse volumétrique maximale d'environ 70 %, tandis que les buses CHT de Bondtech peuvent augmenter la vitesse volumétrique maximale de 30 % sans qu'il soit nécessaire de modifier le hotend.

Vidéo 2 : Buse Bondtech CHT contre buse V6 conventionnelle. Source : Bondtech.

Propriétés des matériaux

Le dernier point important dans l'impression à grande vitesse est le matériau utilisé. Comme nous l'avons vu dans la section précédente, la vitesse volumétrique maximale dépend non seulement de la conception du hotend, mais aussi du matériau utilisé. Sur une imprimante de bureau, la vitesse volumétrique maximale est atteinte avec le PLA (environ 15 mm³/s), tandis que d'autres matériaux tels que l'ABS, l'ASA ou le PETg sont limités à une vitesse maximale de 10 mm³/s. Pour certains matériaux comme le TPU ou le TPE, il peut être difficile de dépasser des vitesses volumétriques de 3 à 5 mm³/s.

C'est pourquoi le développement de plastiques spécifiques pour l'impression à grande vitesse, associé à de nouvelles conceptions de hotends, est essentiel pour tirer pleinement parti de l'impression 3D FFF à grande vitesse.

Image 4 : Filament ordinaire renforcé de fibres de carbone (à gauche) et filament Hypercore de Raise3D. Source : Raise3D.

Implantations à grande vitesse dans les imprimantes commerciales

Comme nous l'avons mentionné au début, l'intérêt pour la mise en œuvre de systèmes d'impression 3D FFF à grande vitesse sur des imprimantes de bureau est né avec la popularisation du micrologiciel gratuit Klipper, mais, en raison de la nature de ce projet, il n'était disponible que dans l'environnement des créateurs. Le premier fabricant à développer un système professionnel à grande vitesse sur ses imprimantes a été la société renommée Raise3D avec l'introduction du kit Hyper FFF pour la série Pro3.

Vidéo 3 : Comparaison entre Raise Pro3 avec Hyper FFF et Raise Pro3 standard. Source : Raise3D.

Le système Hyper FFF est le premier à offrir une approche globale qui tient compte des trois contraintes susmentionnées :

Compensation de la résonance : Le micrologiciel Hyper FFF pour la série Pro3 met en œuvre un système de compensation de la résonance de la mise en forme de l'entrée similaire à celui utilisé dans Klipper. Pour la détermination des fréquences de résonance en X et Y, le kit Hyper FFF comprend une tête d'étalonnage équipée d'un accéléromètre de haute précision. Ceci, combiné à une structure très stable optimisée au fil des années depuis la série N2, garantit une compensation précise de la résonance à n'importe quelle vitesse.

Vitesse volumétrique maximale : le kit Raise3D Hyper FFF comprend deux nouvelles hotends redessinées pour augmenter la vitesse volumétrique maximale jusqu'à 200 % par rapport au hotend d'origine.

Matériaux adaptés à l'impression à grande vitesse : Raise3D a développé, conjointement avec le kit FFF, une nouvelle série de filaments Hyperspeed, qui permettent d'augmenter la vitesse volumétrique maximale jusqu'à 50 % par rapport aux matériaux standard. De plus, la nouvelle ligne de matériaux composites Hyper Core garantit des propriétés mécaniques maximales pour l'impression à grande vitesse.

Image 5 : Kit Hyper FFF pour Raise3D Pro3. Source : Raise3D.

Cette approche globale permet d'atteindre des vitesses d'impression réelles 3 à 5 fois supérieures à celles d'une imprimante de bureau standard, sans affecter ni la qualité esthétique des pièces ni leur comportement mécanique.

Après Raise3D, plusieurs fabricants ont mis en place des systèmes d'impression 3D FFF à grande vitesse d'une manière ou d'une autre. Récemment, Prusa a présenté la nouvelle Prusa MK4, qui comprend un système d'impression à grande vitesse. Ce système est basé sur une implémentation du module Klipper dans Marlin. Ce système, associé au nouveau hotend qui offre une plus grande surface de fusion que le V6 original, permet d'augmenter la vitesse d'impression de 150 % à 200 %. En ce qui concerne la détermination des fréquences de résonance, l'imprimante inclut dans le micrologiciel des valeurs génériques déterminées par le fabricant. Bien qu'elle puisse être efficace, cette méthode d'étalonnage est la moins précise. Selon le fabricant, la MK4 comprend un port dédié à un accéléromètre, bien qu'il n'y ait aucune confirmation quant à la possibilité de l'utiliser à l'avenir pour un étalonnage réel.

Image 6 : Prusa MK4. Source : Prusa3d.com.

Parallèlement, certains fabricants chinois de renom tels que Creality, Ankermake ou Bambulab ont présenté des modèles destinés au secteur professionnel qui intègrent l'impression 3D FFF à grande vitesse. Il s'agit d'imprimantes qui intègrent directement des versions personnalisées de Klipper. Ce sont précisément ces fabricants qui annoncent des vitesses plus élevées, en proposant des vitesses volumétriques maximales allant jusqu'à 32 mm³/s et des vitesses d'impression allant jusqu'à 600 mm/s. Bien que la mise en œuvre de Klipper et l'incorporation de nouveaux hotends garantissent des vitesses d'impression plus élevées, les valeurs indiquées ne sont pas réalistes et ne sont qu'une stratégie de marketing. Tout d'abord, les systèmes à haut débit bien connus tels que le système E3D Volcano sont capables de fournir des vitesses volumétriques maximales de 20 mm³/s avec du PLA dans des conditions standard (buse de 0.4 mm et hauteur de couche de 0.2 mm). Seules certaines configurations spéciales, telles que les hotends E3D Supervolcano, peuvent garantir des valeurs similaires à celles annoncées. D'autre part, même si ces imprimantes pouvaient garantir des vitesses volumétriques maximales de 32 mm³/s, la vitesse d'impression maximale dans des conditions standard serait limitée à 400 mm/s, selon la formule reliant la vitesse d'impression et la vitesse volumétrique maximale. Cette limite est loin des valeurs annoncées de 600 mm/s.

Image 7 : Bannière publicitaire pour une imprimante à grande vitesse. Source : Creality.com.

Conclusion

L'impression 3D FFF à grande vitesse est une révolution qui promet de minimiser l'un des principaux handicaps de l'impression en augmentant la productivité de cette technologie. Il s'agit toutefois d'un processus complexe qui nécessite une approche globale allant au-delà de la compensation de la résonance. Il nécessite également le développement de hotends capables de garantir des vitesses volumétriques élevées, ainsi que de nouvelles formulations de matériaux, afin d'atteindre des vitesses élevées sans affecter les finitions et les propriétés finales de la pièce. Cela est particulièrement important pour les matériaux techniques tels que les composites où, à ce jour, seul le système Raise3D comprend des matériaux techniques optimisés pour la haute vitesse.

En ce qui concerne les vitesses maximales pouvant être obtenues aujourd'hui, les valeurs les plus réalistes pour les imprimantes dotées d'une compensation de la résonance et de hotends optimisées sont de l'ordre de 150 à 200 mm/s. Ces valeurs sont conformes à celles annoncées pour la Prusa Mk4, mais loin des valeurs annoncées par d'autres marques. Dans le cas de l'utilisation de matériaux spécifiques pour la haute vitesse, l'augmentation pourrait atteindre 250-300 mm/s. Cela ne signifie pas qu'il n'est pas possible d'atteindre des vitesses plus élevées sans voir l'apparition de fantômes ou d'anneaux sur la pièce, mais les propriétés finales et le comportement mécanique de la pièce seront compromis en raison de l'apparition de défauts ou d'une faible adhérence entre les couches.