Optimiser l’impression 3D

Avant de chercher à optimiser une impression 3D, il faut d’abord identifier le rôle de la pièce à imprimer. Est-ce un objet destiné à la vente, un prototype, ou encore un premier test fonctionnel ? S’agit-il d’un moule ou d’un outil ? Ou une partie d’une pièce devant être assemblée ? Un post-traitement est-il prévu ? En fonction des réponses, on pourra déterminer quelles seront les priorités : le coût de l’impression, la qualité de l’objet ou le temps de fabrication.

OPTIMISER LES COÛTS

L’un des reproches souvent adressés à l’impression 3D est sa cherté. Le prix des consommables est élevé, et ce n’est pas le fait de produire en grande série qui réduira la note. En effet, le temps et le coût de fabrication restent proportionnels au nombre de pièces imprimées, même si elles sont en grande quantité. On le sait : la valeur ajoutée de l’impression 3D n’est pas dans la production de masse mais dans le sur-mesure.

La forme de l’objet

Plusieurs facteurs déterminent le prix d’une impression. Le premier d’entre eux est bien évidemment la forme de la pièce à fabriquer : plus il faudra de matière pour la réaliser, plus le coût sera élevé. Un objet de grande taille et plein reviendra beaucoup plus cher qu’une petite pièce fine et creuse.

Ainsi, la complexité de l’objet à imprimer ne modifie pas les coûts en profondeur, contrairement aux idées reçues. Ce qui importe davantage, c’est la quantité de matériau utilisée pour le fabriquer. C’est pourquoi il est parfois plus avantageux de découper le fichier 3D de la pièce, de façon à réaliser plusieurs impressions qui seront assemblées par la suite. L’autre élément à prendre en compte est la hauteur de l’objet : plus il sera plat (proche du plateau d’impression), plus l’impression sera rapide et économe en matière.

Il existe des solutions logicielles pour évaluer le coût d’une impression et donc adapter en prévision la forme de la pièce. Le service d’impression 3D Sculpteo a ainsi développé un outil en ligne qui permet d’obtenir une estimation tarifaire dès le téléchargement du fichier. L’utilisateur peut alors ajuster le prix en modifiant la taille de l’objet et en sélectionnant un matériau. Néanmoins, dans un certain nombre de cas, il est recommandé de contacter directement le prestataire d’impression 3D pour qu’il établisse un devis sur mesure. Il pourra également donner son point de vue sur la faisabilité de la pièce et le choix du matériau (plus de 60 sont disponibles à la demande chez Sculpteo).

Les systèmes de stockage

À l’exception des modèles open source, toutes les imprimantes 3D requièrent des consommables qui leur sont propres. Pour recharger une machine, il faut donc se fournir chez son constructeur. Différents systèmes de stockage existent sur le marché : cartouche de matériau, bac de poudre ou de liquide à remplir, bobine de filament à dérouler… Chaque système a ses avantages et ses inconvénients, et certains sont bien plus onéreux que d’autres.

Cartouche de matériau composite prêt à être insérée dans une imprimante 3D ZPrinter de 3D Systems. (Source : 3D Systems)

Les cartouches présentent l’avantage d’être très propres, quasiment sans fuite, et faciles à installer et à changer. En revanche, elles sont parmi les systèmes les plus chers et renferment généralement moins de matière que les autres. Les ProJet à DLP de 3D Systems et les imprimantes d’Objet utilisent des cartouches, les premières pouvant en contenir jusqu’à dix de 0,5 kg.

Les bacs à remplir sont plus compliqués à manipuler. La poudre est généralement stockée dans de grands seaux, qu’il faut déverser dans la machine dans le bac prévu à cet eff et. Les dernières versions des imprimantes ZPrinter facilitent grandement le versement et le stockage de la poudre grâce à la présence d’un bac distinct, à l’arrière de la machine. Avec ces machines, le coût d’un objet imprimé est de 2,30 euros environ pour une quinzaine de cm3.

Quant aux bobines de filament, elles sont utilisées par quasiment toutes les imprimantes open source à dépôt de filament fondu (FDM). Ce système présente l’avantage d’être propre et simple d’emploi, mais des complications peuvent se produire lors de l’impression, la bobine ne se déroulant pas toujours de manière uniforme. Une bobine de filament coûte environ 25 euros.

Les consommables

L’utilisation d’une imprimante personnelle FDM fait aussi baisser drastiquement les coûts d’impression, grâce au prix modique de ses matériaux. Une bobine de filament d’ABS ou de PLA ne coûte ainsi qu’une vingtaine d’euros, mais permet de réaliser un grand nombre de pièces creuses de petite taille. Pour seulement quelques centimes d’euros, il est possible d’imprimer un petit objet en plastique.

À l’heure actuelle, il existe peu d’outils fiables capables d’estimer la quantité de filament nécessaire à une impression réalisée sur une imprimante 3D personnelle. Le logiciel Skeinforge peut évaluer la quantité de filament nécessaire en fonction du design de la pièce, mais il n’est pas très précis. Un script pour G-code (voir page 94), disponible sur Thingiverse, permet une estimation plus juste.

Les services d’impression 3D en ligne

Le recours à des services en ligne peut aussi réduire fortement le coût de l’impression. Destinés aux particuliers mais également aux entreprises, ils permettent d’éviter l’achat d’une machine et donnent accès à un large choix de techniques et de matériaux. Ils prennent en charge toute la phase d’impression, de la réception du fichier 3D à l’envoi final de l’objet.

Quatre services d’impression 3D en ligne dominent actuellement le marché mondial : Shapeways, Sculpteo, i.materialise et Ponoko. Chacun d’eux a développé sa propre grille tarifaire, en fonction de son parc de machines, de sa localisation et de sa stratégie de calcul. Les prix varient donc d’un service à l’autre et sont difficilement comparables, mais ils restent très avantageux. Les services les moins chers pratiquent même des tarifs capables de rivaliser avec un moulage par injection réalisé en Chine !

Matériaux disponibles chez les principaux services d’impression en ligne.

En résumé

• Privilégier les pièces creuses et de petite taille.
• Préférer l’assemblage de pièces imprimées séparément plutôt que l’impression d’une seule pièce.
• Choisir un matériau bon marché comme le PLA, l’ABS ou le polyamide.
• Utiliser les services d’impression 3D en ligne pour les pièces complexes.

OPTIMISER LA QUALITÉ DE LA PIÈCE

Steady as She Goes. Pièce créée par l’artiste Luca Ionescu qui s’est fait remarquer pour la qualité de détail
de ses impressions. (Source : Like Minded Studio)

Si la priorité est de produire des pièces d’une excellente qualité, d’autres critères doivent être alors pris en compte. Trois paramètres vont influencer la qualité finale de l’objet : la résolution de l’impression, la nature du modèle 3D initial et la configuration de la pièce pour la machine. Attardons-nous sur ce dernier point.

Le placement de la pièce dans le bac

La position de l’objet dans le bac de l’imprimante peut avoir des répercussions sur la qualité de l’impression, modifiant radicalement les besoins en matériau de support et la manière dont la pièce sera produite dans son ensemble. Heureusement, la plupart des logiciels de contrôle des imprimantes 3D aident l’utilisateur à placer l’objet de façon optimale. En particulier, ils permettent de définir en amont quels seront les points de pression et les parties fragiles de la pièce.

Les pièces longues ayant tendance à se casser plus facilement si elles sont imprimées en hauteur, il est conseillé de les positionner à l’horizontale. C’est fortement conseillé s’il s’agit du bac d’impression d’une machine Z Corporation ou EOS Formiga, ou d’une imprimante personnelle FDM de type MakerBot ou Ultimaker.

Dans le cas d’un design très précis comportant des zones fragiles, il est parfois utile d’envelopper la pièce d’une coque protectrice . Cette méthode est à rapprocher de la pratique du « panier », qui permet d’imprimer plusieurs objets au cours d’une même impression en optimisant leur positionnement.

Le dessous de la pièce

Il faut savoir que sur une pièce imprimée, le dessous sera toujours moins réussi que le reste, car le rouleau qui étale la poudre couche après couche a tendance à écraser légèrement les couches précédentes, ce qui déforme légèrement la toute première. Ce problème se pose notamment avec les imprimantes personnelles FDM, où la base de l’objet présente une texture plus lisse et tassée. Si la finesse et la qualité du résultat sont les priorités, il est donc important de positionner la pièce de telle sorte que son socle (ou sa partie cachée) soit positionné vers le bas.

Le plateau d’impression

Au cours des impressions à dépôt de filament fondu, il arrive souvent que la base de la pièce se décolle légèrement, entraînant une déformation du modèle. Pour éviter ce désagrément, une attention toute particulière doit être portée au plateau d’impression, qui nécessite d’être parfaitement nettoyé avant toute utilisation, à l’acétone de préférence. Par ailleurs, il est recommandé d’augmenter la hauteur de la première couche d’impression, afin d’en faire un support plus lourd qui aura ainsi moins tendance à se décoller.

S’il s’agit d’une impression en PLA, il est conseillé de recouvrir le plateau d’impression d’adhésif (par exemple, le ruban adhésif bleu 2090 ou 2093 de la marque 3M est très bien adapté) ou encore d’une plaque d’acrylique qui garantira une bonne adhérence des premières couches.

Dans le cas d’une impression en ABS, le plateau est chauffant afin de garantir une bonne adhésion du matériau sur le lit d’impression. Il est préférable qu’il soit en verre (d’au moins 3 mm d’épaisseur), pour que la pièce y adhère tout en se décollant facilement après impression. La plupart des magasins de bricolage vendent pour quelques euros des plaques de verre à la découpe, si l’on souhaite améliorer son modèle d’imprimante.

OPTIMISER LE TEMPS D’IMPRESSION

Ces derniers mois, les imprimantes personnelles ont beaucoup gagné en vitesse, en comparaison des premiers modèles. Ainsi, la MakerBot Thing-O-Matic, imprimante 3D personnelle sortie en 2010, n’imprimait qu’à une vitesse de 5 000 mm/min sur le plan horizontal (axes x et y) et de 100 mm/min sur l’axe vertical (axe z). Il fallait alors compter plusieurs heures pour imprimer une pièce de quelques centimètres de haut. Aujourd’hui, l’impression d’une pièce de 10 cm de hauteur requiert entre 20 et 40 minutes seulement. Mais même si ce délai d’impression s’est considérablement réduit, il peut être encore contraignant. Aussi est-il intéressant de pouvoir le réduire.

Les facteurs qui font varier le temps d’impression sont multiples. La taille de l’objet est naturellement de première importance : plus la pièce est grande, plus long sera le temps d’impression. Le design de l’objet a également un impact : une pièce pleine ou en nid-d’abeilles s’imprimera plus lentement qu’un objet creux. Dans le cas d’une imprimante personnelle FDM, la taille de sa tête d’impression et le type de son moteur jouent aussi un grand rôle : plus la partie à déplacer est lourde (plateau d’impression, système d’extrusion), plus l’impression sera lente.

L’impression de droite est plus longue à réaliser que les deux autres car, son degré de remplissage étant plus élevé, l’imprimante passe plus de temps sur chaque couche. (Source : RichRap)

Sur une imprimante 3D personnelle, l’optimisation du temps d’impression se joue en partie lors de l’exportation du fichier 3D en G-code. Car c’est lors de cette dernière étape avant impression que l’on peut ajuster d’importants paramètres, comme la vitesse de déplacement des axes ou encore la densité de remplissage. En particulier, ce dernier facteur est capital : s’il s’agit d’une pièce pleine, il est conseillé de baisser la densité du remplissage pour réduire autant que possible le temps passé par l’imprimante à imprimer chaque couche. Par exemple, dans Slic3r, vous fixerez le paramètre Fill density à 0,2 plutôt qu’à 0,4.

Avec les imprimantes ZPrinter

Les modèles ZPrinter sont parmi les machines les plus rapides du marché, la fabrication d’une pièce s’effectuant au rythme de 2 cm/h. Leur vitesse d’impression dépend presque uniquement de l’axe z, c’est-à-dire de la hauteur de l’objet : plus il y a de couches, plus l’impression est lente, qu’il y ait une ou plusieurs pièces en cours de réalisation. Pour optimiser le temps d’impression des imprimantes ZPrinter, il faut donc penser à réduire au minimum la hauteur d’impression, en couchant l’objet par exemple. Car si l’étalage d’une couche de poudre ne dure que quelques secondes, il se répète des milliers de fois au cours d’une impression…