Malgré la variété impressionnante de thermoplastiques qui peuvent être imprimés sur les imprimantes 3D de bureau grand public, le filament le plus couramment utilisé est l’acide polylactique (PLA). En effet, ce n’est pas seulement le matériau le moins cher disponible, mais aussi le plus facile à utiliser. Le PLA peut être extrudé à des températures aussi basses que 180 ° C et il est possible d’obtenir de bons résultats même sans lit chauffant. L’inconvénient est que les objets imprimés en PLA ont tendance à être quelque peu cassants et à avoir une faible tolérance à la chaleur. C’est un plastique fin pour le prototypage et les projets légers, mais il ne faudra pas longtemps à de nombreux utilisateurs pour dépasser ses capacités.

La prochaine étape est généralement le polyéthylène téréphtalate glycol (PETG). Ce matériau n’est pas beaucoup plus difficile à travailler que le PLA, mais il est plus durable, peut supporter des températures plus élevées et est en général mieux adapté aux pièces mécaniques. Si vous avez besoin d’une plus grande durabilité ou d’une plus grande tolérance à la chaleur que l’offre PETG, vous pouvez passer à quelque chose comme l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polycarbonate (PC) ou le nylon. Mais c’est là que les choses commencent à se compliquer. Non seulement les températures d’extrusion de ces matériaux sont supérieures à 250 ° C, mais une chambre d’impression fermée est généralement recommandée pour de meilleurs résultats. Cela les place au sommet de ce avec quoi la communauté des amateurs est généralement capable de travailler.

Les imprimantes 3D industrielles comme l’Apium P220 commencent à 30000 $.

Mais les imprimantes 3D industrielles haut de gamme peuvent utiliser des plastiques encore plus résistants tels que le polyétherimide (PEI) ou des membres de la famille des polyaryléthercétones (PAEK, PEEK, PEKK). Les pièces fabriquées à partir de ces matériaux sont particulièrement souhaitables pour les applications aérospatiales, car elles peuvent remplacer des composants métalliques tout en étant sensiblement plus légères.

Ces plastiques doivent être extrudés à des températures approchant les 400 ° C, et une chambre de fabrication étanche maintenue à> 100 ° C pendant la durée de l’impression est une nécessité absolue. Le prix d’achat d’une imprimante commerciale dotée de ces capacités se chiffre à des dizaines de milliers, même sur le bas de gamme, certains modèles se situant bien dans la fourchette à six chiffres.

Bien sûr, il fut un temps, il n’y a pas si longtemps, où la même chose aurait pu être dite des imprimantes 3D en général. Les machines qui étaient autrefois le seul domaine des laboratoires de R&D exceptionnellement bien financés sont désormais installées sur les établis des hackers et des fabricants du monde entier. S’il est difficile de dire si nous verrons la même course vers le bas pour les imprimantes 3D haute température, les premiers pas vers la démocratisation de la technologie sont déjà en cours.

Défis d’ingénierie

En termes simples, une machine qui prend en charge ces soi-disant plastiques techniques doit être une fusion d’une imprimante 3D traditionnelle et d’un four. Mais bien sûr, c’est là que réside le problème. L’imprimante elle-même, en particulier du type et de la qualité auxquels nous nous sommes habitués au niveau du bureau, ne survivrait pas dans un tel environnement. Pour qu’une imprimante 3D grand public produise avec succès des pièces en PEI et PEEK, elle devrait être considérablement modifiée; C’est exactement ce que la NASA a fait avec un LulzBot TAZ 4 en 2016.

LulzBot TAZ 4 modifié pour l’impression haute température.

La première étape consistait à construire une enceinte isolée pouvant s’adapter autour du TAZ 4 et à installer un ensemble de lampes chauffantes infrarouges de 35 watts à l’intérieur. Naturellement, l’électronique exposée de la machine surchaufferait dans un tel environnement, il fallait donc les déplacer vers l’extérieur du boîtier.

Les moteurs pas à pas surchaufferaient également, mais plutôt que d’essayer de les déplacer, l’équipe du Langley Research Center a choisi de concevoir des chemises de refroidissement pour s’adapter sur chaque moteur à travers lequel l’air sous pression pourrait circuler.

Comme d’autres imprimantes 3D de bureau, la TAZ 4 a également utilisé un certain nombre de pièces imprimées dans sa construction. Imprimées en ABS, ces pièces auraient rapidement échoué à l’intérieur de la chambre chauffée destinée à supporter le PEEK. Les pièces ont été réimprimées sur PC, mais même ce matériau n’était pas assez résistant pour une utilisation permanente. Ainsi, dans la tradition classique de RepRap, l’équipe a imprimé le troisième et dernier jeu de pièces sur l’imprimante modifiée elle-même sous une forme de PEI connue dans le commerce sous le nom d’Ultem.

De manière assez surprenante, l’équipe n’a eu aucun mal à mettre à niveau le TAZ 4 avec un hotend et une buse pouvant extruder les plastiques jusqu’à 400 ° C. Le hotend E3D-v6 populaire coûte moins de 100 USD et s’est avéré capable d’atteindre ces températures, bien que l’équipe ait dû remplacer sa thermistance par un modèle mieux noté et apporter quelques ajustements au micrologiciel Marlin de l’imprimante pour lui permettre de atteindre des températures qui, dans des circonstances normales, déclencheraient un arrêt thermique.

Objets imprimés en Ultem 1010 sur le LulzBot TAZ 4 modifié de la NASA.

En fin de compte, le rapport de la NASA a conclu que les modifications apportées au LulzBot TAZ 4 étaient un succès complet. Ils ont noté que tenter d’imprimer PEI avec les lampes chauffantes infrarouges éteintes entraînait de graves problèmes d’impression tels que le gauchissement et le délaminage, bien que cela soit prévisible. Aucun montant final en dollars n’est donné pour le coût des modifications, mais étant donné que le prix de base d’une TAZ 4 était d’environ 2 200 USD à l’époque, l’ensemble du projet représentait probablement 1/10 du coût d’offres commerciales comparables.

Partir de zéro

L’expérience de la NASA a montré qu’il était possible de modifier une imprimante 3D de bureau open source existante pour imprimer des plastiques techniques à haute température, et ils ont même montré que cela pouvait être fait de manière relativement économique. Mais personne ne dirait que le bootstrap de cette façon était une solution idéale. Il y avait trop d’efforts dupliqués dans la conversion, car les ingénieurs devaient spécifiquement annuler les choix de conception faits à l’origine par LulzBot. Même ainsi, l’expérience a créé une base de référence précieuse pour d’autres projets qui veulent repartir de zéro.

Le mois dernier, une équipe de l’Université technologique du Michigan a dévoilé Cerberus, une imprimante 3D haute température open source capable de produire des pièces à l’Île-du-Prince-Édouard et PEKK qui peuvent être construites pour seulement 1000 USD. Plutôt que d’essayer d’adapter une conception existante, l’équipe est partie de zéro en pensant à l’impression à haute température. Tous les composants électroniques sensibles sont montés bien loin de la chambre de construction scellée, qui utilise un noyau de chauffage de l’espace de 1 kW alimenté par le secteur pour l’amener rapidement à la température de fonctionnement.

Surtout, tous les moteurs pas à pas ont également été déplacés à l’extérieur de la chambre de fabrication. Bien que cela rende la cinématique un peu plus complexe que ce que vous verriez dans une imprimante 3D de bureau traditionnelle, cela signifie que le Cerberus n’a pas besoin d’un système de refroidissement de moteur dédié comme le TAZ modifié de la NASA.

Une conception simplifiée combinée à l’utilisation d’électronique de contrôle standard, y compris la carte Arduino Mega 2560 et RAMPS 1.4, et le même hotend E3D-v6 utilisé sur le TAZ 4 modifié, met le Cerberus bien dans les moyens de l’amateur motivé . D’autant que l’équipe a fourni des instructions d’assemblage claires et détaillées pour leur imprimante, ce qui manque notablement dans le rapport de la NASA.

Élargir les possibilités

Entre la modernisation TAZ 4 de la NASA et les tout nouveaux designs tels que le Cerberus, il est clair que la capacité technique d’imprimer des objets PEI et PEEK dans l’atelier à domicile est là pour tous ceux qui le souhaitent suffisamment. Ce n’est pas encore aussi facile que d’acheter une imprimante 3D à 200 $ sur Amazon, mais si la demande est là, davantage de machines bon marché basées sur ces principes fondamentaux commenceront certainement à arriver sur le marché. Ce n’est vraiment pas très différent de la vague actuelle de découpeurs laser abordables qui ont envahi les makerspaces ces dernières années.

Des fabricants du monde entier ont imprimé des EPI

Alors, y a-t-il une demande pour eux? Cette fois l’an dernier, la réponse aurait pu être différente. Mais avec le monde qui lutte toujours contre la pandémie de COVID-19, il y a une nouvelle demande pour des équipements de protection individuelle (EPI) produits rapidement que personne n’aurait pu prévoir.

Comme expliqué dans la documentation de Cerberus, l’équipe de l’Université technologique du Michigan a été inspirée pour se pencher sur le développement d’une imprimante 3D haute température abordable, en particulier parce qu’elle pourrait être utilisée pour créer des EPI qui survivraient à la stérilisation thermique. Plutôt que d’être jetables, l’équipe pense que des articles tels que des masques faciaux imprimés en PEKK pourraient être utilisés à long terme.

Les pièces imprimées qui peuvent être stérilisées à plusieurs reprises auraient évidemment d’autres applications médicales potentielles. Une machine portable à faible coût capable de produire ces composants pourrait potentiellement sauver des vies dans des régions éloignées du monde si l’accès rapide aux fournitures et équipements traditionnels pourrait ne pas être disponible.

Les critiques de l’impression 3D ont souvent dit que le principal défaut des machines est que les pièces qu’elles impriment sont rarement suffisamment robustes pour être utilisées comme autre chose qu’un prototype approximatif. Mais lorsqu’une imprimante à 1 000 $ peut produire des pièces dans des matériaux de qualité aérospatiale, il semble que nous sommes plus proches que jamais d’une révolution manufacturière.

LAISSER UN COMMENTAIRE

Rédigez votre commentaire !
Entrez votre nom ici