En dépit de ses nombreuses avancées et la multitude de procédés innovants dont-elle s’est enrichie, l’impression 3D reposent encore largement sur la technologie par extrusion FDM (ou Fused Deposition Modeling). En effet, si le B2B représente environ 80 % du marché en termes de valeur, plus de 95 % des machines expédiées dans le monde sont des imprimantes 3D de bureau. L’essentiel de ces équipements reposent sur des technologies à dépôt de fil fondu. Mise en lumière pendant la vague médiatique de 2013 et plus récemment pour sa contribution dans la lutte contre le Covid-19 en permettant la fabrication de millions de matériels de protection, le FDM continue de monopoliser le paysage de l’impression 3D. Pour mieux comprendre les raisons de ce succès et faire découvrir ce procédé additif aux plus néophytes, Primante3D a dressé son portrait en 7 points.
1. Histoire : l’invention qui a donné naissance à Stratasys
La plupart des histoires de startup commencent dans un garage. Scott Crump posant devant son établi (Source: TCT/Stratasys)
Comme nombre d’inventions révolutionnaires, le principe de l’impression 3D FDM, en français « Modelage par Dépôt de Matière en Fusion », a été découvert tout à fait par hasard. On comprend d’ailleurs mieux sa simplicité enfantine quand on connaît les circonstances de sa découverte. C’est en 1986, soit deux ans après l’invention de la stéréolithographie (SLA), qu’un couple d’inventeur américains dénommés Scott et Lisa Crump, aurait donné naissance à ce procédé en voulant réparer le jouet de leur fille avec un pistolet à colle. Le matériau utilisé à l’époque était un mélange de cire de bougie et de polyéthylène.
L’idée d’automatiser cette méthode donnera naissance à l’entreprise Stratasys en 1989. Une société que l’on connaît aujourd’hui comme le leader mondial de l’impression 3D. Déposé cette même année, le brevet ne fut accepté qu’en 1992. Son expiration en 2009 a largement contribué à la démocratisation et la diffusion de cette technologie.
2. Les différentes dénominations du dépôt de matière
Première imprimante 3D de Stratasys en 1991, la 3D Plotter (Source : TCT/Stratasys)
Bien que rentrées dans le langage courant, l’appellation Fuse deposition Modeling (modélisation de dépôt fondu) et son abréviation FDM sont en fait des marques déposées de Stratasys. Son équivalent libre de droit est l’acronyme FFF (Fused Filament Fabrication). Plus rarement on peut aussi la retrouver sous l’abréviation MPD (Moltenn Plastic Deposition) qui signifie en français dépôt de plastique fondu. On parle aussi de « dépôt de matière fondue », « dépôt de filament fondu » et enfin « dépôt de fil fondu ».
L’arrivée de nouvelles technologies utilisant le dépôt de matière métallique et composite, a donné naissance à d’autres acronymes tels que BMD (Bound Metal Deposition), CEM (Composite Extrusion Modeling), ADAM (Atomic Diffusion Additive Manufacturing) ou encore PAM (Pellet Additive Manufacturing)
3. Fonctionnement d’une imprimante 3D à dépôt de fil
L’impression 3D FDM doit son succès et sa popularité à son fonctionnement très simple par extrusion. Les imprimantes à dépôt de matière fonctionnent le plus souvent en extrudant un filament thermoplastique à travers une buse. Les couches sont ainsi superposées selon les cordonnées XYZ (largeur, profondeur, hauteur) transmises par un fichier 3D, sur un plateau de construction jusqu’à obtention de la pièce finale. La hauteur de couche joue d’ailleurs un rôle important dans la qualité de surface.
Pour limiter les effets du warping, les imprimantes peuvent être équipées d’un plateau chauffant et/ou d’une enceinte fermée. Les équipements professionnels se distinguent en autres par la présence d’un deuxième extrudeur permettant d’imprimer les structures de soutien pour les parties en surplomb, ou bien des pièces de plusieurs couleurs ou matériaux.
4. Les matériaux compatibles avec les technologies additives FFF
Bobines de PLA déclinées dans différentes couleurs . © Maurizio Pesce CC by SA 2.0
La simplicité de l’extrusion de matière par apport à d’autres procédés d’impression 3D, offre une grande variété de matériaux disponibles. Les plus utilisés restent néanmoins les thermoplastiques polymères, dont l’ABS et le PLA pour les plus connus, qu’on retrouve le plus souvent sous la forme de filaments (diamètre 1,75 ou 2,85 mm). Coïncidant avec la professionnalisation du marché et sa consolidation, l’offre filament a littéralement explosé ces dernières années. C’est ainsi que sont arrivées de nouvelles matières composites, à base de bois, de métal, ou de céramique, et plus récemment des produits de qualité ingénierie comme le carbone, la fibre de verre ou encore le PEEK. Plus rarement, certaines machines professionnelles utilisent des granulés qui permettent d’accéder à un plus large éventail de matériaux et de combiner leurs propriétés.
Les matériaux de type FFF peuvent se présenter sous de très nombreuses autres formes. En bioimpression par exemple, on utilise des têtes d’impression en forme de seringue pour déposer des gels biologiques ou des cellules. Le même principe peut être est appliqué aux aliments, en utilisant du chocolat ou de la pâte à crêpes par exemple. À cette liste on peut enfin ajouter le béton utilisé en construction 3D, ou encore des pâtes liquides photopolymères solidifiées par UV.
5. Les applications possibles en impression 3D FDM
De par sa simplicité de fonctionnement comparée à d’autres procédés, mais aussi son caractère bon marché et son large catalogue de matériaux, la technologie FDM permet de couvrir un grand nombre de besoins. Les dernières études menées sur le sujet montrent d’ailleurs que le dépôt de matière fondue reste toujours le procédé le plus utilisé en interne. Pour les technologies moins accessibles telles que le SLS (frittage laser) et les procédés de fabrication additive métallique, les entreprises, pour des raisons évidentes de coût et de fonctionnement, préfèrent passer par des services d’impression.
La grande polyvalence du FFF permet aussi bien de fabriquer des prototypes en plastique, que de l’outillage sur-mesure, ou des pièces d’utilisation finale en métal. Tous les secteurs sont aujourd’hui concernés par cette technologie, y compris les plus insolites comme le bâtiment, l’alimentaire, et même l’électronique. Quant aux particuliers qui représentent l’essentiel de ses utilisateurs, le FDM leur sert principalement à fabriquer des objets à usages personnel et décoratif (figurines, goodies, accessoires…).
Ces dernières années les imprimantes 3D à dépôt de fil se sont également fait une place dans les salles de classe. Rares sont les établissements (principalement collèges et lycées) qui ne soient pas aujourd’hui équipés d’une machine. Les enseignants emploient le plus souvent l’impression 3D pour créer du matériel pédagogique pour leurs projets. La fabrication de modèles 3D facilite l’apprentissage des élèves sur certains concepts abstraits ou concrets. Il peut s’agir par exemple de prototypes, de maquettes ou de modèles anatomiques.
6. Quels sont les avantages et limites du FFF ?
Le spécialiste français des monnayeurs CashMag s’est créée une ferme de 53 imprimantes 3D FDM
Le principal atout des technologies d’impression 3D FDM, réside dans leur facilité d’apprentissage, mais aussi le prix très abordable de leurs matériaux et machines. On peut aujourd’hui trouver des imprimantes 3D en kit à moins de 200 €, et des filaments de qualité à partir de 20 € le kg. Cette accessibilité et cette polyvalence permet de couvrir un large éventail de besoins et de secteurs. L’autre avantage de ce type d’imprimantes 3D est leur encombrement plus faible que les autres technologies. À l’exception du SLA, les autres procédés que sont notamment le frittage laser et le jet de liant, reposent le plus souvent sur des grosses machines industrielles de la taille d’une armoire ou d’un container.
Le principalement frein du FFF réside essentiellement dans sa précision. Ce défaut va de pair avec son état de surface que l’on reconnaît par la présence de stries. Comme nous avons le voir plus bas, ces imperfections peuvent être gommées par diverses techniques de post-traitement. Le dépôt de filament fondu reste malgré tout la technique qui nécessite le moins d’étapes de finition.
7. Les opérations de post-traitement propres au dépôt de filament fondu
Comme n’importe quelle technique d’impression 3D, le FDM nécessite quelques étapes de finition pour obtenir une pièce parfaitement finie. La première consiste une fois l’impression terminée, à retirer avec une pince les matériaux de supports (brim, raft…) accrochés à la pièce. Pour les structures solubles en PVA ou HIPS, l’objet est plongé quelques heures dans un bain d’alcool (limonène) ou d’eau chaude. On obtient ainsi un rendu plus propre.
Selon l’utilité de la pièce, cette seule étape de finition peut suffire. C’est souvent le cas pour les applications de prototypage rapide. Pour obtenir une surface qui soit parfaitement lisse sans aspérités, la pratique la plus connue (pour l’ABS) est le lissage d’acétone. Elle consiste à enfermer l’objet imprimé dans un bocal dans lequel on aura au préalable placé une gaze imprégnée d’acétone. Cette solution artisanale peut être remplacée par des systèmes automatisés. L’autre pratique consiste à poncer manuellement la pièce avec du papier abrasif. Un vernis ou une peinture peut être ensuite appliqué.
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