Quelle tension choisir : 12 V ou 24 V ?

De nombreux composants d'imprimantes 3D sont disponibles en deux versions : 12 V et 24 V, tout comme les imprimantes 3D elles-mêmes. Cette caractéristique doit être prise en compte lors de toute mise à niveau de l'imprimante 3D, comme le remplacement des extrudeurs, des hotends ou de tout autre composant. Mais qu'est-ce que tout cela implique pour l'utilisateur ?

12 V et 24 V sont des tensions, et elles sont les plus courantes dans ces deux options. Plus précisément, ce sont des tensions de sortie et elles sont liées à l'alimentation électrique (PSU) de l'imprimante 3D. Une alimentation est un dispositif dont la tâche est de fournir de l'énergie électrique à une charge électrique, un dispositif qui prend le courant électrique et le transforme en d'autres formes d'énergie comme la chaleur ou la lumière. Dans les imprimantes 3D, le bloc d'alimentation alimente tous les composants essentiels tels que les ventilateurs, le lit chauffant ou le bloc chauffant. Sans l'alimentation électrique minimale requise ou avec une alimentation électrique excessive, ces éléments de l'imprimante 3D peuvent ne pas fonctionner correctement.

Image 1 : La spécification de la tension de sortie sur un stepper driver. Source : Dyze Design.

Un PSU reçoit 110 à 240 V de la prise et, à l'aide d'un transformateur, le convertit en 12 à 24 V, une tension plus adaptée aux appareils. En outre, le bloc d'alimentation comporte également un circuit redresseur, un élément chargé de convertir le courant alternatif de la prise en courant continu dont a besoin une imprimante 3D.

Image 2 : Ports d'entrée CA et de sortie CC sur un PSU. Source : Dyze Design.

L'alimentation d'une imprimante 3D présente généralement les caractéristiques suivantes :

• La (les) tension(s) nominale(s) : ces valeurs indiquent la tension d'entrée CA que le PSU prend sur la prise - 110 V @ 60 Hz ou 240 V @ 50 Hz (comme dans l'image ci-dessus). Normalement, cette tension peut être modifiée en basculant un interrupteur sur le côté du bloc d'alimentation.
• La tension de sortie : cette valeur spécifie la tension du courant continu que le bloc d'alimentation peut fournir après avoir converti le courant alternatif. Cette valeur varie d'un bloc d'alimentation à l'autre, mais un bloc d'alimentation ne peut supporter qu'une seule tension spécifique : 12 V ou 24 V. C'est un élément crucial, car les composants d'une imprimante 3D sont également prévus pour une tension spécifique et doivent correspondre à la tension de sortie du bloc d'alimentation. L'utilisation d'un composant 12 V avec un appareil 24 V fera fonctionner le composant à une vitesse deux fois supérieure à celle pour laquelle il a été conçu, ce qui peut entraîner une surchauffe, de la fumée, une brûlure de la carte mère, voire une explosion ou un incendie. Un autre problème se pose en cas de court-circuit. Le bloc d'alimentation pourrait décharger tout cet excès de puissance dans le composant, causant des dommages. Cela peut arriver avec n'importe quel bloc d'alimentation, mais avec un bloc d'alimentation de faible puissance (12 V), moins d'énergie sera déchargée dans le composant connecté qu'avec un bloc d'alimentation 24 V. Il est conseillé d'utiliser un convertisseur DC-DC pour faire chuter la tension de 24 V à 12 V afin d'éviter cela. À l'inverse, l'utilisation de composants de 24 V avec une imprimante 3D de 12 V entraînera un échec des performances puisque les composants ne recevront pas suffisamment de tension pour fonctionner. Dans ce cas, l'utilisateur doit recourir à un booster de tension qui convertira les 12 V fournis par le bloc d'alimentation en 24 V nécessaires.
• Le courant de sortie (ampérage) : il s'agit du nombre d'ampères le plus élevé que le bloc d'alimentation peut fournir. Dans le cas du bloc d'alimentation de l'image ci-dessus, cette valeur est de 30 A. La spécification du courant de sortie affecte le nombre d'éléments chauffants qu'une imprimante 3D peut avoir et la chaleur que peut atteindre un lit chauffant.
• La puissance totale en watts : cette valeur indique la puissance par seconde que le PSU peut fournir. Elle est calculée en multipliant la tension de sortie et le courant de sortie (ampérage). Ainsi, une alimentation de 12 V avec un courant maximal de 30 A pourra fournir une puissance de 360 W.

L'objectif du bloc d'alimentation est principalement de recevoir, convertir et fournir de l'énergie, mais il a également d'autres tâches à accomplir. Le bloc d'alimentation est également chargé de limiter le courant reçu à des niveaux sûrs, avec l'aide de la charge électrique, et de couper le courant en cas de défaut électrique.

Une autre tâche du PSU est de limiter le bruit électronique ou les surtensions d'atteindre la charge électrique, et de stocker l'énergie afin qu'en cas d'interruption temporaire de l'alimentation électrique, le PSU puisse continuer à alimenter la charge électrique.

Quelle tension est la meilleure ?

Lorsqu'il s'agit de choisir la tension d'un composant d'une imprimante 3D, comme une cartouche chauffante, un hotend, un extrudeur ou un ventilateur, la tension de ces composants doit toujours correspondre à la tension de sortie de l'imprimante 3D, ou alors il faut utiliser un convertisseur DC-DC ou un amplificateur de tension.

En ce qui concerne le choix d'un nouveau bloc d'alimentation pour une imprimante 3D, il y a certains facteurs à prendre en compte. Un bloc d'alimentation de 24 V nécessite environ deux fois moins de câblage qu'un bloc d'alimentation de 12 V. La raison en est que plus la tension est élevée, moins le courant circule dans le bloc d'alimentation (pour obtenir la même puissance, la moitié du courant est nécessaire), ce qui permet de réduire la taille des fils. Cela permet de réduire la taille des fils, ce qui entraîne une réduction du coût du fil et de la quantité de cuivre qui doit être extraite pour le produire.

Image 3 : Un fil de 12 V (en haut) et un fil de 24 V (en bas). Source : Dyze Design.

L'utilisation d'un bloc d'alimentation 24 V pour l'impression 3D présente des avantages notables :

• Le lit chauffant et le hotend ont besoin de moins de temps pour chauffer.
• Il y a plus de couple de la part des steppers, ce qui est très visible sur l'extrudeur.
• Les steppers produisent moins de bruit.

En ce qui concerne les blocs d'alimentation 12 V, ils sont utiles pour faire fonctionner des appareils directement à partir de batteries. L'inconvénient d'un bloc d'alimentation 12 V est qu'il a besoin d'un amplificateur de tension pour faire fonctionner des appareils 24 V, et que son câblage est plus coûteux car il nécessite plus de cuivre.

Comment vérifier le bloc d'alimentation de l'imprimante 3D ?

Lors de l'achat d'une imprimante 3D, qu'elle soit neuve ou d'occasion, l'utilisateur doit s'assurer de connaître la tension d'alimentation réelle de l'imprimante 3D. Parfois, l'inspection de la fiche technique ne suffit pas, car le PSU peut avoir été modifié par le fabricant et la fiche technique n'a pas été mise à jour. En ce qui concerne les imprimantes 3D d'occasion, l'ancien propriétaire peut avoir modifié le bloc d'alimentation sans le faire savoir. Par conséquent, il est préférable de toujours vérifier le bloc d'alimentation de l'imprimante 3D directement sur l'imprimante avant d'acheter ou d'installer des composants de mise à niveau. Si un nouveau bloc d'alimentation est acheté, il faut également s'assurer qu'il fonctionne correctement avant de l'installer dans l'imprimante 3D.

Le bloc d'alimentation est généralement une grande boîte rectangulaire argentée. Certaines alimentations sont des pièces autonomes séparées, comme dans l'imprimante 3D Creality CR-10 V3, tandis que d'autres imprimantes les intègrent à la structure principale, comme l'imprimante 3D Anycubic Vyper ou l'imprimante 3D Artillery Genius.

Image 4 : De gauche à droite, le bloc d'alimentation d'une imprimante 3D Creality CR-10 V3, Anycubic Vyper et Artillery Genius. Source : Creality, Anycubic et Artillery.

Tout d'abord, la tension de sortie du bloc d'alimentation doit être vérifiée en regardant l'étiquette sur le bloc d'alimentation, comme indiqué dans l'image ci-dessous.

Image 5 : La spécification de la tension de sortie sur un PSU. Source : E3D.

Si le bloc d'alimentation ne comporte aucune information sur la tension de sortie, celle-ci peut être vérifiée à l'aide d'un voltmètre ou d'un multimètre. Il faut garder à l'esprit que les équipements électroniques doivent toujours être manipulés avec le plus grand soin et en prenant des mesures de sécurité. La détection correcte de la tension de sortie d'une imprimante 3D est démontrée dans un tutoriel vidéo d'Anycubic.

Vidéo 1 : Un tutoriel sur la manière de détecter et de remplacer un PSU. Source : Anycubic.

Ce processus peut être repris dans les 3 étapes suivantes :

1. Avant de toucher le bloc d'alimentation ou de débrancher des fils, l'imprimante doit être débranchée de la prise. S'il n'y a pas de mesures de sécurité ESD en place, comme un tapis de mise à la terre, la mise à la terre peut se faire en touchant tout ce qui est métallique, par exemple un radiateur. Le courant accumulé ira dans le métal car le métal est un meilleur conducteur d'électricité.
2. Ensuite, après 30 secondes, le bloc d'alimentation de l'imprimante 3D peut être touché en toute sécurité. Il est crucial de veiller à éviter les événements ESD à proximité de l'imprimante 3D. Même si aucune décharge n'est ressentie, elle peut endommager les composants électroniques de l'imprimante. La période de 30 secondes est cruciale car certaines cartes/PSU moins chères ne sont pas équipées de résistances de purge pour décharger rapidement les condensateurs.
3. La troisième étape consiste à vérifier la tension dans toutes les bornes de sortie, en faisant très attention à ne pas toucher ou court-circuiter les bornes d'alimentation CA d'entrée. La lecture sur le voltmètre doit être presque identique à la tension de sortie indiquée. Une tension légèrement plus élevée sera utile dans le cas d'un lit chauffant sous alimenté, d'autres composants peuvent être sur alimentés.

Il est essentiel de connaître la tension de sortie du bloc d'alimentation et de l'imprimante 3D pour choisir correctement les composants de l'imprimante et éviter les conséquences dangereuses d'une alimentation insuffisante ou excessive des composants et de l'imprimante 3D. Bien que les imprimantes 3D puissent fonctionner avec des blocs d'alimentation de 12 et 24 V, ou même avoir la possibilité de passer d'un voltage à l'autre, l'option la plus avantageuse est le bloc d'alimentation de 24 V, car il nécessite moins de puissance pour produire la même quantité de courant, son câblage est plus petit et il offre certains avantages pour les performances de l'imprimante 3D.