Une introduction à l’impression 3D

Articles techniques – 18 mai 2023

Ces derniers mois, j'ai été entraîné dans le monde de l'impression 3D (de manière un peu inattendue : tout est parti d'un objet que je voulais réaliser...). J'ai commencé à imprimer des objets sur des imprimantes auxquelles j'avais accès dans un fablab, puis j'ai fini par m'acheter une imprimante 3D à moi.

Lorsque j'ai commencé mon premier projet d'impression 3D d'un objet, j'ai tenté de chercher des informations sur l'impression 3D en général, et j'ai un peu galéré. En fait, l'impression 3D est un domaine vraiment très vaste, et je n'ai pas trouvé de ressources uniques qui répondaient à toutes les questions qu'un débutant complet qui ne connaissait rien à l'impression 3D, comme moi à l'époque, se posait.

Cet article vise donc à être cette ressource : une introduction à l'impression 3D pour tous ceux qui se demandent ce que c'est, et qui voudraient peut-être faire quelques créations (que ce soit avec une imprimante à eux, ou en payant quelqu'un pour qu'il imprime l'objet). Je n'irai pas trop dans les détails (car après on rentre dans des sujets très spécifiques), mais à la fin de cet article, vous devriez déjà y voir beaucoup plus clair sur le sujet.

« Impression 3D » : de quoi parle-t-on ?

Avant de commencer à parler d'« impression 3D », il faut savoir ce qu'on veut exactement dire avec ce terme.

L'impression 3D est également appellée « fabrication additive ». Cela veut dire qu'on va fabriquer des pièces ou objets en ajoutant progressivement de la matière, contrairement à d'autres techniques comme le moulage, la déformation, ou la fabrication soustractive (on part d'un gros bloc de matière brute qu'on va progressivement tailler pour arriver à l'objet qu'on veut)

On pourrait croire que l'impression 3D est quelque chose de très récent, et que ça désigne surtout la réalisation de petits objets en plastique. En fait, c'est plus vaste que ça : l'impression 3D, qui existe depuis déjà quelques dizaines d'années, a commencé par avoir des applications industrielles (prototypage, production d'objets spécifiques...). Par exemple, voici ce qu'on peut qualifier d'« imprimante 3D » industrielle, qui utilise du béton :

On peut aussi citer les prothèses médicales (notamment les couronnes dentaires). Récemment, on a même vu des entreprises utiliser l'impression 3D pour fabriquer... des maisons (en superposant des couches de ciment).

Les techniques d'impression 3D

Il y a plusieurs façons de faire de l'impression 3D. Voici les plus courantes :

FDM

FDM veut dire « Fused deposition modeling », c'est-à-dire « dépôt de fil fondu ».

C'est la technique la plus répandue chez les particuliers, et c'est souvent celle à laquelle on pense directement quand on parle d'impression 3D (même si ce n'est qu'une des techniques). C'est de celle-là dont je vais parler dans cet article.

Vous l'avez probablement déjà vue dans une vidéo accélérée : une impression FDM consiste à partir d'un plateau vide, de chauffer un plastique (le plus souvent sous forme de filament) pour qu'il devienne liquide, et de le faire sortir d'une tête d'impression qui peut bouger sur les trois axes (largeur, profondeur, hauteur). Petit à petit, l'imprimante construit un objet en superposant les couches de plastique.

Voici une vidéo accélérée d'une impression FDM :

L'impression FDM est relativement facile à mettre en oeuvre, et n'est pas trop chère (autant pour le prix des imprimantes que pour les matériaux), d'où son succès.

SLA

La SLA (stéréolithographie) est une autre technique d'impression, relativement accessible également bien qu'elle soit moins fréquente.

Ici, la matière est une résine sous forme liquide, qui au début de l'impression se situe dans un bac. Le plateau est plongé dans le bac, et un laser cible des zones précises sur le plateau pour solidifier la résine et créer un objet. Comme pour le FDM, l'impression se fait couche par couche... la différence étant qu'ici, l'objet imprimé est « à l'envers ».

Voici une vidéo accélérée d'une impression SLA :

L'impression SLA est plus difficile à maîtriser que l'impression FDM, mais peut réaliser des impressions plus détaillées et donc plus jolies, surtout pour des objets décoratifs.

Autres techniques

Les autres techniques sont plus réservées au milieu industriel, c'est donc moins fréquent de les voir.

Pour la plupart, elles sont des dérivées des deux méthodes précédemment citées ; par exemple, le Selective Laser Sintering (SLS) ressemble à la SLA, mais au lieu de la résine liquide, on va utiliser de la poudre.

Ceux qui sont curieux pourront lire cet article ou celui-là.

Les imprimantes 3D FDM

Il existe de nombreuses marques d'imprimante 3D FDM, et encore plus de modèles différents. Cependant – et bien que certains modèles étranges existent – on peut voir que tous les modèles se ressemblent finalement beaucoup, et ont le même aspect extérieur. C'est normal, ils sont composés des mêmes éléments (tout comme un ordinateur portable est composé d'un clavier, d'un écran, d'un pavé tactile...)

En fait, contrairement à ce qu'on pourrait croire, la différence de qualité d'impression entre une imprimante d'entrée de gamme (200-300 €) et une haut de gamme, voire professionnelle (où on s'approche plus des 5000-10000€) n'est finalement pas si grande que ça : là où les imprimantes haut de gamme vont se démarquer, c'est plus sur des « bonus » et des fonctionnalités secondaires qui vont simplifier le travail de l'utilisateur (alignement automatique, double tête d'impression pour avoir plusieurs couleurs à la fois, service client disponible 24/7...).
Ainsi, avec une imprimante d'entrée de gamme, on pourra faire des impressions aussi réussies que d'autres imprimantes plus chères, mais on passera plus de temps à la bricoler et à la régler pour que l'impression soit réussie.

Passons chacun de ces élements en détail pour comprendre à quoi ils servent.

Axes

Comme on peut s'y attendre, sur une imprimante 3D, il y a... 3 axes (c'est bien pour ça qu'on parle de 3D 😄) sur lesquels la tête d'impression peut se déplacer : en largeur (souvent noté X), en profondeur (souvent noté Y), et en hauteur (souvent noté Z).

L'axe X est le même sur la plupart des imprimantes : la tête d'impression est entraînée par une courroie sur un axe.

Pour l'axe Y, il en existe de deux types différents : soit c'est la tête qui bouge (et dans ce cas, l'imprimante a une forme de cube), soit c'est le plateau qui se déplace en profondeur (et dans ce cas, la tête n'a pas besoin de bouger). En général, les têtes se déplaçant sur X et Y sont plutôt trouvés sur les imprimantes plus chères, même s'il y a des exceptions.

Pour l'axe Z, là aussi il peut y avoir deux possibilités : soit la tête d'impression (et l'axe X avec) monte, soit c'est le plateau qui descend.

Voici un autre exemple d'imprimante avec un axe Y sur la tête et un axe Z sur le plateau :

Tête d'impression et entraîneur

La tête d'impression (« hot end ») est là où le filament plastique va être chauffé, pour ensuite devenir plus malléable et pouvoir être déposé sur l'objet imprimé. Elle se termine par une buse, dont le diamètre du trou est généralement de 0,4 mm. Il est possible de changer de diamètre pour avoir soit des impressions plus précises (pour des trous plus petits), soit des impressions plus rapides (pour des trous plus grands)

L'extrudeur est la partie située avant la tête, qui va pousser le filament dedans (avec un engrenage).
Selon l'imprimante, l'entraîneur peut soit se situer directement au-dessus de la tête (on parle alors de direct drive), soit déporté ailleurs (et là on parle de bowden). Les deux types ont leurs avantages et inconvénients.

La plupart des têtes d'impression contiennent du téflon (PTFE). Cela les rend faciles à fabriquer, mais cela empêche d'utiliser certains plastiques (moins courants) qui nécessitent des températures supérieures à 260°C. C'est un point qu'il faut prendre en compte quand on compare des imprimantes.

Plateau

Le plateau (« bed ») est le support où l'objet va être imprimé. Il peut être en verre, en métal, ou de plus en plus, en PEI (Polyétherimide)

Certains types de plastiques, pour bien « coller » au plateau lors de l'impression de la première couche, ont besoin de chaleur. Pour cette raison, les plateaux peuvent être chauffés, généralement jusqu'à au moins 60°C.

Matériaux

On a vu que l'impression FDM consiste à prendre un filament de plastique, et le chauffer pour le déposer sur un objet à fabriquer. Comme on peut s'y attendre, il n'y a pas qu'un seul type de plastique : il y en a une bonne dizaine qu'on peut croiser, qui ont chacun leurs caractéristiques (résistance, durabilité, couleurs, prix...). Et il y a même des filaments qui ne sont pas entièrement en plastique, mais qui sont un mélange de plastique et de quelque chose d'autre : par exemple, il y a des mélanges plastique/bois, qui permettent d'imprimer un objet qui ressemble... à un objet en bois.

Voici une présentation des plastiques les plus courants :

Acide polylactique (PLA) : LE grand classique de l'impression 3D, car il n'est pas cher, disponible en plein de couleurs, et facile à imprimer (car oui : certains plastiques requièrent des réglages plus compliqués, voire du matériel de qualité). De plus, il est bon pour l'environnement, car produit à partir d'amidon de maïs. Il convient très bien pour la plupart des objets décoratifs et fonctionnels, mais si on veut « faire mieux » (notamment sur la durabilité, la tolérance aux UV...) ou qu'on a des contraintes précises, on peut partir sur autre chose.
Acrylonitrile butadiène styrène (ABS) : on le connaît surtout avec les briques Lego, qui sont fabriquées avec ce plastique. Il est un peu plus compliqué à imprimer que le PLA (notamment car il nécessite de plus hautes températures, et a tendance à se décoller du plateau durant l'impression – ce qu'on appelle warping), mais il a de meilleures propriétés mécaniques (résistance aux chocs, à la température...) qui le rendent plus intéressant pour certaines applications, comme les coques de téléphone par exemple.
TPE, TPU, TPC : une famille de plastiques qui ont la particularité d'être flexibles, adaptés donc s'il faut faire un objet plus « élastique »
Polycarbonate (PC) : un plastique très solide et qui est légèrement transparent (c'est avec ça que j'ai imprimé le Ori dont j'ai mis le lien en début de l'article). Je l'appelle pour rigoler « le plastique royal » 😆. Il est plus cher que le PLA ou l'ABS et a besoin de très hautes températures pour être imprimé, ce qui fait qu'on ne peut pas l'imprimer sur toutes les imprimantes.

Il existe des tableaux comparatifs des différents matériaux :

Comment on imprime quelque chose ?

Modélisation de l'objet en 3D

Il faut d'abord récupérer un « schéma » d'objet en 3D. Il y a trois possibilités :

Soit vous modélisez l'objet vous-même, avec un logiciel de modélisation 3D (Blender, Fusion 360, etc.). C'est un sujet complexe et cet article ne parlera pas de ça
Soit, coup de chance, quelqu'un a déjà modélisé l'objet et le propose au téléchargement
Soit vous avez un scanner 3D qui produit un modèle 3D de l'objet.

Passage dans le logiciel de découpage (« slicer »)

Une fois que nous avons notre objet modélisé en 3D, est-ce qu'on peut le donner à l'imprimante pour qu'elle commence à l'imprimer ? Bien sûr que non... ce n'est pas si simple que ça.

Il faut savoir qu'en fait, une imprimante 3D, en fait... ça ne réfléchit pas. Elle ne sait rien faire toute seule et a besoin qu'on lui dise exactement quoi faire. Et quand je dis "exactement", je parle de choses aussi simples que :

bouger la tête d'impression d'un certain nombre de centimètres sur tel axe
faire sortir du plastique (ou non)
chauffer la tête ou le plateau à une certaine température
...

L'imprimante attend en réalité des fichiers « gcode ». Ce sont des fichiers qui décrivent CHAQUE action que l'imprimante doit faire. Voici un extrait de gcode :

G92 E0 ;Reset Extruder
G1 Z2.0 F3000 ;Move Z Axis up
G1 X10.1 Y20 Z0.28 F5000.0 ;Move to start position
G1 X10.1 Y200.0 Z0.28 F1500.0 E15 ;Draw the first line
G1 X10.4 Y200.0 Z0.28 F5000.0 ;Move to side a little
G1 X10.4 Y20 Z0.28 F1500.0 E30 ;Draw the second line
G92 E0 ;Reset Extruder
G1 Z2.0 F3000 ;Move Z Axis up
G92 E0
G92 E0

Pour produire ce fichier, il faut d'abord importer notre modèle dans un logiciel de découpe 3D, qu'on appelle un « slicer ».

Tout comme les logiciels de modélisation 3D, il existe de nombreux slicers. Cependant, il y en a deux qui sont énormément utilisés : Cura (produit par Ultimaker) et PrusaSlicer (produit par... Prusa).
Ces deux sociétés ont initialement fait ces logiciels pour leurs propres imprimantes, mais comme toutes les imprimantes 3D FDM fonctionnent pareil, il est possible de s'en servir avec n'importe quelle autre marque et modèle (tant qu'on suit les consignes du fabricant)

Les slicers proposent énormément de paramètres à ajuster. Ceux qu'on touchera le plus souvent seront :

la température de la tête d'impression
la température du plateau
le remplissage de l'objet : creux, vide, ou entre les deux
l'utilisation de supports (j'en parle après)
l'utilisation du ventilateur
la vitesse d'impression

Ces paramètres dépendent surtout du matériau qu'on utilise. Des profils pré-programmés existent pour sélectionner les bonnes valeurs selon les matériaux et le modèle d'imprimante.

Un exemple ? Bien sûr ! Voici un Ori passé dans un logiciel de découpe (ici Cura). Le logiciel nous permet de voir, couche par couche, l'application du matériau sur l'objet, et nous dit combien de temps il faudra pour l'imprimer. Les couleurs sur l'objet disent « à quoi servent » le plastique appliqué ici : rouge pour les parois externes, vert pour les épaisseurs, orange pour le remplissage...

Ca veut dire quoi « objet adapté à l'impression » ?

C'est peut-être le point qui m'a le plus troublé quand j'ai découvert l'impression 3D. J'entendais souvent parler de « modèles adaptés à l'impression 3D » et je me posais la question : pourquoi on peut imprimer certaines choses, et d'autres pas ?

Pour comprendre le problème, je vais montrer quelque chose qui est impossible à imprimer. Sauriez-vous trouver où est le problème ? (si vous avez bien lu l'article, vous devriez facilement trouver 😄)

Réponse : comme on l'a vu précédemment, un objet est imprimé de bas en haut. Lorsqu'on va arriver à la « barre » du T, la tête va commencer à l'imprimer... mais il n'y aura rien en dessous pour la tenir ! Le plastique va donc tomber et on ne pourra pas imprimer la « barre ».

La solution consiste à paramétrer le slicer pour qu'il génère des supports :

Mais enlever les supports est une opération très fastidieuse. Pour le cas du T, c'est facile car la surface est plane, donc il suffit de passer une lime. Mais dès qu'on arrive à des choses plus compliquées comme des personnages...

... amusez-vous bien pour enlever tous les supports sans rien abîmer d'autre !

Dans ces cas-là, il faut parfois ruser pour réduire le plus possible l'impact des supports. On peut essayer de tourner le modèle dans le slicer pour l'imprimer dans un autre angle, qui nécessite moins de supports (l'objectif étant de se rapprocher le plus possible d'une forme pyramidale). Dans le cas du T, on peut juste le retourner pour que la « barre » soit en bas.
On peut aussi toucher aux paramètres des supports dans le slicer, pour qu'il y en ait moins (toujours au risque de rater l'impression...).

Parfois, la meilleure solution est d'éditer le modèle pour le découper en plusieurs parts, qu'on pourra ensuite assembler. Par exemple ici, il était impossible d'imprimer ce médaillon sans avoir besoin de supports sur une des faces (qui auraient été quasi impossibles à enlever sans abîmer la face). La solution aura été de couper le médaillon en deux (comme un saucisson !) pour ensuite coller les deux côtés après impression.

Pour aller plus loin

Le site all3dp est une mine d'or : presque chaque aspect de l'impression 3D (et pas que FDM) est couverte dans un article. Il est majoritairement en anglais, mais il existe des articles en français.

Sites où trouver des modèles 3D pour impression à télécharger :

Le subreddit r/3dprinting et ses liens très utiles en haut de page (wiki, conseils d'achat...) est aussi intéressant.