7 questions pour choisir la buse de son imprimante 3D

choisir sa buse d'impression 3D

Un très grand nombre de paramètres conditionnent la réussite d’une impression 3D. Pour une imprimante 3D à dépôt de matière fondue (FFF) dont le principe de fonctionnement repose sur l’extrusion, la buse joue un rôle primordial dans le résultat final. Sa taille, son diamètre mais aussi le matériau qui la constitue, influent directement sur la précision, la finesse de détail et la rapidité d’impression. Pour vous aider à choisir vos buses en fonction de vos objectifs et identifier les principaux critères de sélection, Primante 3D a posé 7 questions à BCN3D, le spécialiste des imprimantes 3D de bureau professionnelles.

« Plus le débit est élevé, plus la hauteur de la couche peut être importante, mais plus la résolution finale obtenue est faible… »

La buse et l’extrudeuse jouent un rôle clé dans le succès de l’impression 3D FDM. Comment ces composants fonctionnent-ils ?

L’extrudeuse est le sous-système qui pousse le filament vers l’extrémité chaude. Dans l’extrudeuse, il y a un actionneur, généralement un moteur pas à pas, et la clé est de pouvoir transmettre le mouvement de cet actionneur très précisément à l’avance linéaire du filament. Il existe différentes stratégies pour y parvenir, mais on cherche généralement à le transmettre par friction.

Le point chaud est la zone où le filament est fondu. Le filament y est poussé par l’extrudeuse et, une fois fondu, il est extrudé par la buse. Il y a 3 zones clairement différentes dans le hotend :

Une zone chaude –> où l’énergie est échangée entre l’extrémité chaude et le filament. L’objectif est de garantir que la transmission de la chaleur soit aussi efficace que possible et qu’un flux de fonte stable soit obtenu.

Une zone froide –> où le filament est canalisé vers la zone d’extrémité chaude. Il est important qu’il soit aussi froid que possible, c’est pourquoi il est généralement refroidi par convection d’air forcé.

Une zone de transition –> entre la zone chaude et la zone froide est la clé d’un bon hotend. Il est important que la zone de transition thermique soit aussi petite que possible afin que le gradient de température soit très agressif. De cette façon, nous nous assurons que le matériau ne fond pas ou ne se ramollit pas avant d’atteindre la zone chaude. Lorsqu’un matériau commence à ramollir, sa viscosité augmente et cela peut provoquer des échecs d’impression car il faut plus de pression pour extruder le filament, ce qui ne peut pas toujours être satisfait par le mécanisme de l’extrudeuse.

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« Le e3D v6 est probablement le plus utilisé et le plus répandu… »

Quels sont les trois principaux types de buses et leurs particularités (parlons de MK8, V6 et Volcano) ?

Il existe plusieurs modèles de hotend, chacun ayant des caractéristiques spécifiques. Les MK8, V6 et Vulcano n’en sont que quelques exemples.

Quant à la MK8, elle est de conception très compacte, dans laquelle la zone froide de l’extrémité chaude et le mécanisme de l’extrudeuse sont fusionnés. Le résultat est une unité légère et compacte. Ce concept a connu des évolutions, comme le Titan Aero ou le Hemera, issus du e3D.

Le e3D v6 est probablement le plus utilisé et le plus répandu. Il s’agit d’une conception entièrement métallique, optimale pour travailler jusqu’à 300ºC avec de nombreux matériaux différents. Sa plus grande vertu est sa polyvalence et ses performances.

Le Volcano est la version à haut débit de la v6. Il est idéal pour travailler avec des buses de grand diamètre à des vitesses élevées.

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« Les diamètres de buse les plus courants se situent entre 0,4 et 0,6 mm »

Les diamètres des buses ont également une grande influence sur la qualité des impressions. Quels sont les différents diamètres et leur influence sur la finition ?

Plus le diamètre de la buse de l’extrémité chaude est grand, plus il est possible d’extruder de filaments avec la même pression exercée par le système d’extrusion. Plus le débit est élevé, plus la hauteur de la couche peut être importante, mais plus la résolution finale obtenue est faible.

Les diamètres de buse les plus courants se situent entre 0,4 et 0,6 mm. Pour les pièces de haute résolution, avec le FDM, on peut descendre jusqu’à 0,2 mm. Et pour les pièces de grand volume, il est courant de trouver des buses allant jusqu’à 1,0 mm.

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« plus le diamètre est grand, plus la surface de contact du matériau déposé avec la couche précédente est importante »

Comment les diamètres influencent-ils également la vitesse et les propriétés mécaniques ?

Comme je l’ai déjà dit, plus le diamètre est grand, plus le débit est élevé. Par conséquent, l’impression avec des buses de grande taille permet de finir les pièces plus rapidement, au prix d’un sacrifice de la résolution. Il y a cependant une limitation quant à la vitesse d’extrusion ou au débit maximal. C’est une question thermodynamique : à quelle vitesse pouvons-nous transmettre l’énergie au plastique pour qu’il fonde ? C’est la raison pour laquelle les bouches d’injection à grosses buses ont généralement une zone chaude plus grande, ou une puissance plus élevée.

Pour comprendre pourquoi les grandes buses favorisent les propriétés mécaniques, nous devons comprendre ce qui se passe au niveau thermochimique pendant le processus d’impression. Lorsque du plastique chaud est déposé sur du plastique déjà froid, les chaînes de polymères s’imbriquent à peine, ce qui entraîne des problèmes d’adhérence entre les couches et de faibles performances mécaniques dans ce sens, un problème courant dans la fabrication additive.

Cependant, plus le diamètre est grand, plus la surface de contact du matériau déposé avec la couche précédente est importante. En outre, une plus grande quantité de matériau est déposée par unité de temps, ce qui permet de refroidir plus lentement et de favoriser la liaison entre les couches. Ensemble, ils peuvent améliorer considérablement les propriétés mécaniques.

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« Pour la zone chaude, on utilise généralement des matériaux ayant une bonne conductivité thermique »

Quels sont les principaux matériaux utilisés pour les buses et leurs fonctions ?

Pour la zone chaude, on utilise généralement des matériaux ayant une bonne conductivité thermique et faciles à usiner, tels que l’aluminium et le laiton. Dans les hotends plus sophistiqués, le cuivre peut également être utilisé. Pour les applications où l’impression avec des matériaux abrasifs est nécessaire, la buse est généralement revêtue ou faite de matériaux plus durs qui sont traités en surface.

Pour la zone froide, il faut des matériaux ayant une bonne conductivité thermique. L’aluminium est généralement utilisé.

Pour la zone de transition, un matériau à très faible conductivité thermique est nécessaire, comme l’acier inoxydable ou le titane, dans les points chauds plus sophistiqués.

Pourquoi les têtes d’impression standard ne peuvent-elles pas résister à des températures supérieures à 300 °C ?

D’une part, il y a des limites constructives : l’efficacité thermique de l’assemblage doit être optimisée, soit en améliorant la zone de transition pour empêcher la chaleur de se propager le long du point chaud, soit en améliorant le refroidissement de la zone froide, par exemple avec un refroidissement par liquide au lieu d’une convection forcée de l’air.

D’autre part, il y a souvent des limitations au niveau des capteurs et de l’électronique. Les capteurs les moins chers et les plus utilisés pour mesurer la température du point chaud sont les thermistances (résistances qui varient avec la température), qui sont généralement limitées à environ 300ºC. Pour atteindre des températures plus élevées avec précision, il faut utiliser des thermocouples, mais ils nécessitent un traitement du signal différent, donc un autre type d’électronique est nécessaire.

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« le tube de guidage ajoute une variabilité et une friction qui peuvent affecter la performance d’extrusion »

L’entraînement direct et le Bowden sont les deux principaux types d’extrusion. Quels sont leurs avantages et leurs inconvénients ?

L’extrusion directe consiste à amener le mécanisme de l’extrudeuse aussi près que possible de l’extrémité chaude. C’est bon pour : (1) Amélioration des performances d’extrusion, il y a moins de pertes et de frottements dans le système ; (2) Meilleur traitement des matériaux flexibles ; (3) Possibilité de travailler avec des torons de 1,75 mm, ce qui permet une plus grande fiabilité dans l’extrusion et un meilleur contrôle de celle-ci. Mais il est négatif parce que : (1)Vous ajoutez du poids à la tête, ce qui limite les vitesses de déplacement maximales et ajoute une inertie qui induit des vibrations, ce qui endommage la finition de surface de la pièce ; (2) Cela rend difficile le refroidissement correct du système d’extrusion ; et (3)Cela rend l’ensemble de la tête (extrudeuse + tête) encombrant.

D’autre part, le concept de Bowden est positif car (1) il permet d’alléger la tête, ce qui permet d’avoir moins de masse en mouvement et de pouvoir déplacer la tête plus rapidement sans endommager la finition des pièces. (2) Meilleur refroidissement du moteur. (3) Tête plus compacte

D’autre part, elle force : (1) à travailler avec des matériaux de 2,85 mm de diamètre afin d’obtenir la rigidité nécessaire du filament pour le guider de l’extrudeuse vers le bout chaud. Ces filaments peuvent être moins courants que ceux de 1,75 mm. (2) Système moins robuste : le tube de guidage ajoute une variabilité et une friction qui peuvent affecter la performance d’extrusion et ajoute une certaine incertitude au processus ; et (3) il peut être complexe de travailler avec des matériaux flexibles.

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