Comment une imprimante 3D industrielle est-elle conçue et quels rôles ses pièces - arbres, courroies dentées et cadres - jouent-elles (copy)

L’impression 3D a révolutionné la fabrication industrielle et la construction de prototypes. Cette technologie produit des objets couche par couche à partir d’un modèle numérique. Constituée des principaux composants : En plus d’un cadre, d’une tête d’impression, d’un lit d’impression, d’une unité de commande, d’arbres, de courroies dentées et de moteurs, une imprimante 3D typique nécessite généralement également un certain nombre d’accessoires. Mais comment fonctionne exactement une imprimante 3D industrielle ? Cet article met en évidence la structure et la fonction des composants les plus importants et cite brièvement certains domaines d’application.

Une imprimante 3D crée des objets tridimensionnels en appliquant des matériaux couche par couche sur la base d’un modèle numérique. C’est ce qu’on appelle également le processus de fabrication additive, car le matériau est ajouté progressivement à la pièce à usiner non finie.

Le processus commence par un fichier de conception numérique, souvent fourni au format STL (STL = Stereo Lithography). Il est chargé dans un logiciel spécial avec lequel le modèle 3D est converti en un fichier de contrôle compréhensible pour l’imprimante 3D. Ce fichier est converti en code G (le code G est un langage de programmation des machines CNC). Le modèle de données est décomposé par un logiciel de coupe en couches de code G ou en couches horizontales fines. Ce processus s’appelle le tranchage.

L’imprimante lit ce fichier et imprime successivement les couches en appliquant et solidifiant le matériau, souvent du plastique, de la résine ou de la poudre métallique, couche par couche jusqu’à ce que l’objet entier soit créé.

Le processus exact varie en fonction de la technologie d’impression, par exemple, si le matériau est fondu par chauffage (FDM) ou trempé par exposition à la lumière (SLA). Les technologies d’impression suivantes sont actuellement disponibles :

• Stéréolithographie (SLA) : Une fine couche de résine synthétique est versée dans un plateau. Un laser UV expose ensuite les surfaces à polymériser. Un boîtier d’imprimante 3D est utilisé pour cette technologie.
• Stéréolithographie masquée (MSLA) : Le processus d’impression MSLA illumine sélectivement la résine synthétique par le bas avec un écran LCD. L'écran LCD forme un masque pour chaque couche d'impression et bloque ainsi la lumière UV aux emplacements spécifiés. Au lieu d’un faisceau laser qui analyse les couches, les imprimantes MSLA utilisent une source lumineuse à ultraviolets haute performance.
• Frittage sélectif par laser (SLS) : Divers matériaux sous forme de poudre sont distribués sur la plaque d’impression et fondus au moyen de lasers. Enfin, le produit fini doit être libéré de la poudre environnante.
• Dépôt de fil fondu (FDM) : Le processus de fusion des couches amène le matériau sur la plaque d’impression avec une buse chauffée, où il est ensuite solidifié.
• Fabrication d’objets lumineux : Le matériau est constitué de couches superposées et collées l’une sur l’autre, il est ensuite modélisé avec un outil de coupe (laser ou couteau).
• Lithographie axiale calculée (CAL) : Le processus d’impression CAL projette la lumière dans une résine liquide et sensible à la lumière, qui se solidifie rapidement. Cette méthode permet de fabriquer des objets dans les plus brefs délais.

Structure d’une imprimante 3D

Les imprimantes 3D industrielles ont certains composants de base qui sont utilisés en fonction de la technologie d’impression sélectionnée.

Cadres d’imprimante 3D

Le cadre est la structure de montage de base pour tous les composants d’imprimante 3D électronique et structurelle et constitue également la base d’une impression de haute qualité. Elle offre à l’imprimante stabilité et structure. Plus le cadre est rigide, meilleurs sont les résultats d’impression. Sur les imprimantes industrielles, les cadres sont souvent fabriqués en alliages métalliques robustes pour minimiser les vibrations et assurer une grande précision d’impression. Chez MISUMI, vous trouverez une large gamme de composants de cadre de haute qualité, tels que des profils de conception en aluminium, des accessoires pour guides linéaires ou des plaques d’angles.

Axes sur les imprimantes 3D

Dans un espace tridimensionnel fixe, l’imprimante 3D industrielle doit pouvoir atteindre chaque point pour assurer l’impression de toutes les formes concevables. En ce sens, les axes suivants sont disponibles :

• Axe X : Décrit le chemin horizontalement de gauche à droite
• Axe Y : Décrit le chemin horizontalement d’avant en arrière
• Axe Z : Décrit le chemin verticalement de haut en bas

La tête d’impression se déplace le long de l’axe X et de l’axe Y, par exemple au moyen de courroies dentées et de moteurs pas à pas.

Le mouvement vertical est réalisé par un moteur pas à pas. Le mouvement rotatif est transféré par une courroie dentée vers une broche filetée ou un entraînement par vis. La course de l'axe Z détermine l'épaisseur de la couche de matériau appliquée.

La précision de chaque composant de transfert est déterminante pour la qualité et la précision dimensionnelle de l’objet à imprimer.

Tête d’impression (extrudeuse) des imprimantes 3D (FDM)

L’extrudeuse transporte le filament (matériau imprimé) de la source de matière première, par exemple un rouleau de filament, dans un bloc chauffant avec chauffage et surveillance de la température. Cette zone est également appelée l’extrémité chaude. Le filament liquéfié est acheminé par ce canal vers la buse (buse), il est appliqué sur la plaque d’impression.

Il existe différents types de transport de filaments à travers l’extrudeuse. Voici quelques-uns des types les plus courants :

• Entraînement direct (extrudeuse à entraînement direct) : Pour cette méthode, un moteur tire directement le filament dans l’extrudeuse, où il est ensuite transporté dans le bloc chauffant. Le moteur est situé à proximité immédiate de la buse, permettant une application plus précise du produit. Cette méthode est souvent utilisée dans les imprimantes 3D de bureau.
• Extrudeuse Bowden : Contrairement à l’entraînement direct, sur une extrudeuse Bowden, le moteur n’est pas directement sur l’extrudeuse. Le filament est acheminé vers l’extrudeuse par un tuyau flexible (tuyau flexible Bowden). Le poids de l’extrudeuse est ainsi réduit, ce qui peut avoir un effet positif sur la qualité d’impression. Cependant, la précision du transport du filament peut être légèrement altérée dans cette méthode.

Les deux variantes peuvent être équipées de plusieurs têtes d’impression, de sorte que différents matériaux et couleurs peuvent être traités. Si l’imprimante 3D utilise une poudre au lieu d’un filament, les extrudeuses ne sont généralement pas utilisées ; les rouleaux sont utilisés à la place pour appliquer le matériau sur le lit d’impression.

Lit d’impression (plaque de construction) sur les imprimantes 3D

L’objet est conçu couche par couche sur le lit d’impression. Il peut être chauffé pour assurer une meilleure adhérence du matériau, pour éviter la déformation du matériau et pour obtenir un traitement de surface optimisé. Le matériau du lit d’impression influence également l’adhérence. Les plaques en verre, en céramique, en fonte ou en aluminium sont particulièrement adaptées ici. Il est également possible de faciliter le retrait du produit final au moyen de plaques amovibles.

Unité de commande sur les imprimantes 3D

L’unité de contrôle commande l’ensemble du processus d’impression. Il peut également être utilisé pour étalonner l’imprimante 3D. Le processus d’étalonnage est d’une importance cruciale pour éviter les erreurs d’impression. Un lit d’impression irrégulier ou des buses mal réglées ont une influence significative sur la qualité du produit final.

L’unité de contrôle doit interpréter les informations du modèle 3D numérique à partir d’un fichier STL ou d’un autre format de fichier. À cette fin, l’unité de commande utilise un logiciel de tranchage pour diviser le modèle 3D en une séquence de couches horizontales (tranches). Entre autres, des informations sur la hauteur de la couche, le diamètre de l’ouverture de la buse (taille de la buse), les paramètres d’impression, l’extrusion du matériau d’impression, les températures et les trajectoires d’outil de la tête d’impression, et le code G qui en résulte, sont générées à partir de cela.

L’unité de commande contrôle les lecteurs de l’imprimante 3D pour déplacer avec précision la tête d’impression et le lit d’impression. Elle convertit les mouvements définis dans le code G, en prenant en compte la vitesse, l’accélération et la décélération.

L’unité de commande contrôle l’extrudeuse qui chauffe le matériau d’impression, tel que le filament, et l’applique uniformément sur la plaque de construction pour s’assurer que le matériau est distribué uniformément. La température de l’imprimante 3D, de l’extrudeuse et des éléments chauffants est surveillée et contrôlée.

Bien sûr, l’unité de commande surveille le processus d’impression pour détecter les erreurs et les irrégularités et réagit en conséquence à tout problème, tel que le bourrage ou la surchauffe du matériau.

Une interface utilisateur graphique (GUI) sert d’interface permettant à l’utilisateur de démarrer le processus d’impression, d’ajuster les paramètres, de contrôler l’imprimante, de recevoir des messages d’état et d’interagir en conséquence. Ce processus peut être effectué avec un écran ou un écran tactile.

L'unité de commande peut communiquer avec des périphériques externes via des interfaces pour recevoir des tâches d'impression et échanger des données.

Arbres des imprimantes 3D

Les arbres sont utilisés comme élément de transmission et comme éléments de guidage pour permettre le mouvement des composants, des matériaux, des têtes d’impression et d’autres composants importants.

Lorsque les arbres sont utilisés comme élément de transmission, un mouvement est transmis de la source d’entraînement vers le côté sortie. Ce processus s’effectue en combinaison avec, par exemple, le moteur, les poulies à courroies en V et les poulies à courroies dentées, les courroies, les chaînes, les accouplements, les réducteurs ou d’autres éléments.

Certaines imprimantes 3D utilisent des vis à billes plutôt que des guides de vis conventionnels. Les vis à billes sont plus précises et ont moins de frottement que les guides de vis conventionnels. Cela permet d’obtenir une précision d’impression bien meilleure.

En tant qu’éléments de guidage, les arbres permettent le mouvement précis de la tête d’impression ou du lit d’impression dans différentes directions. Ils sont généralement cylindriques et fabriqués à partir de matériaux robustes pour assurer précision et durabilité. L’arbre est généralement lisse et possède une grande précision de surface pour permettre un mouvement à faible friction. Pour guider l'arbre et permettre le mouvement, des roulements linéaires spéciaux ou des guides linéaires sont montés le long de l'arbre.

Courroies dentées sur les imprimantes 3D

Les courroies dentées convertissent le mouvement rotatif des moteurs en mouvement linéaire des parties mobiles de l’imprimante. Par exemple, les têtes d’impression sont déplacées le long de l’axe X et de l’axe Y. Ils jouent un rôle décisif dans la vitesse et la précision du processus d’impression. Un bon raccordement et une qualité impeccable sont essentiels. Sinon, il peut y avoir des réverbérations qui déforment le produit final. Les courroies dentées sont généralement constituées de matériaux élastomères avec des renforts sous forme de dents, insérés afin de permettre une transmission précise de la force.

MISUMI propose différentes courroies dentées, arbres et autres accessoires pour les mouvements linéaires et rotatifs. Vous êtes assuré de trouver un composant pour votre application spécifique.

Moteurs sur les imprimantes 3D

Les moteurs jouent un rôle clé pour déplacer et positionner la tête d’impression ou le lit d’impression. Il existe différents types de moteurs utilisés sur les imprimantes 3D, chacun d’entre eux remplissant des tâches spécifiques. Voici quelques-uns des moteurs les plus courants sur les imprimantes 3D :

• Moteurs échelonnés : Ils déplacent la tête d’impression et le lit d’impression par étapes précises le long des différents axes.
• Servomoteurs : Ils offrent une vitesse et une précision élevées et sont utilisés lorsqu’un contrôle précis est nécessaire.
• Moteurs à courant continu : Ils sont utilisés, par exemple, pour faire fonctionner les rouleaux.
• Moteurs de l’extrudeuse : Ils permettent l’extrusion du matériau d’impression.

L’impression 3D industrielle utilise les catégories de matériaux suivantes : filaments, plastiques et poudre. Le filament est un fil long et étroit composé de divers plastiques, par ex. PLA ou nylon. Il est enroulé sur des bobines, et principalement utilisé dans le processus d’impression FDM.

Afin de réduire la visibilité des couches individuelles lors de l’utilisation de matériaux filamenteux, les paramètres peuvent être ajustés dans les paramètres du logiciel de tranchage. Un traitement de surface ultérieur, par exemple par meulage, remplissage, revêtement, peinture ou par diverses méthodes de soudage, peut être nécessaire.

Les méthodes d’impression à base de poudre permettent la production de géométries complexes et de pièces fonctionnelles. Les poudres de métal, plastique ou céramique, par exemple, peuvent être utilisées comme matériau.

Le processus d’impression avec des résines utilise des résines liquides, qui sont durcies sous l’influence de la lumière UV ou des faisceaux laser pour accumuler les couches d’impression.

Différents matériaux en résine sont disponibles et offrent diverses propriétés, telles que la dureté, la flexibilité, la résistance à la température et la transparence. Ce matériau est très bien adapté si l’objet d’impression nécessite une précision et des détails précis.

Utilisations possibles des imprimantes 3D

En très peu de temps, l’impression 3D a conquis de nombreux domaines de notre vie, notamment l’ingénierie mécanique, la construction de machines personnalisées et la construction de prototypes. Le délai de fabrication rapide des composants est particulièrement intéressant pour de nombreuses entreprises industrielles. Non seulement l’espace de stockage peut être réduit sur le long terme, mais les circonstances changeantes et les applications spéciales peuvent également être traitées de manière proactive.

L’utilisation d’imprimantes 3D peut notamment accélérer le développement de produits grâce à un prototypage rapide.

La capacité à créer des géométries complexes permet d’adapter rapidement les conceptions et les formes aux concepts de R&D actuels.

Cela permet d’identifier et de résoudre les erreurs et les problèmes de conception avant le début de la production de masse.

Dans certains cas, le prototype lui-même peut servir de modèle pour la production de masse, en particulier pour la production de petits lots ou de produits personnalisés.