Impression 3D¶
Les sortes d’impressions 3D¶
Il existe plusieurs types d’impression 3D. La FDM (modélisation par fil fondu) (également appelée fabrication de filaments fondus) consiste à extruder un filament fondu pour créer une pièce. c’est le type le plus courant et celui que nous aborderons dans ce guide. La SLA (stréréolithographie) et le SLS (frittage sélectif par laser) sont deux options pour l’impression 3D de plastique, mais elles sont généralement plus complexes, plus coûteuses FTC/ lregl. Pour ces raisons, elles ne sont pas recommandées.
L’impression 3D métal (SLS et autres) devient également de plus en plus disponible, mais n’entre pas dans le cadre de ce guide.
Astuce
N’hésitez pas à consulter la section « Impression 3D » de la documentation FTC <https://ftc-docs.firstinspires.org/en/latest/manufacturing/3d_printing/index.html>, un guide sur l’impression 3D FDM dans le cadre de la FTC. Il aborde des sujets tels que l’adhérence du plateau, les tolérances, la conception pour l’impression 3D, le réglage et le choix du matériel.
Avantages de l’impression 3D¶
L’impression 3D permet un dimensionnement personnalisable et une optimisation parfaite ; par exemple, les équipes peuvent imprimer une bobine du diamètre exact nécessaire pour une vitesse optimale, ou une poulie à courroie avec un certain nombre de dents.
L’impression 3D permet aux équipes de s’adapter facilement aux différents kits et pièces individuelles, car tous les kits ne disposent pas de supports ou de supports adaptables. Le Nexus mecanum en est un bon exemple. adaptateurs d’alésage que les équipes impriment en 3D.
L’impression 3D permet aux équipes de fabriquer des pièces qui seraient autrement impossibles avec des matériaux tels que l’aluminium en raison de restrictions d’usinage.
L’impression 3D permet aux équipes de personnaliser les serre-câbles sur les fils et les connexions. C’est un excellent projet qui vaut vraiment le coup.
Inconvénients de l’impression 3D¶
Si vous n’avez plus de pièces supplémentaires imprimées en 3D lors d’une compétition, vous n’avez probablement pas de chance. Il est conseillé aux équipes d’imprimer au moins un exemplaire de chaque pièce imprimée en 3D comme pièces de rechange pour la compétition.
Les composants imprimés en 3D sont généralement plus fragiles que d’autres matériaux comme l’aluminium. Cependant, une impression correctement orientée peut s’avérer très solide. Des équipes ont imprimé en 3D des crochets et d’autres pièces pour soutenir leurs robots FRC® (120 lb) et FTC (40 lb).
Les pièces imprimées en 3D ne doivent être chargées que dans une seule orientation. Par exemple, si le robot est suspendu à un crochet, la seule charge doit s’exercer sur la face inférieure de la partie incurvée du crochet. Essayez d’éliminer autant que possible les charges latérales afin d’éviter toute défaillance de la pièce.
La taille des pièces imprimées en 3D est limitée par la taille de votre lit d’impression.
Les impressions de grande taille et épaisses peuvent prendre beaucoup de temps (une nuit) et risquent d’échouer.
L’impression 3D peut s’avérer assez coûteuse, même si le filament peut être trouvé à un prix raisonnable sur des sites de vente en ligne tels qu’Amazon.
Filaments communs¶
Pour presque toutes les pièces qui doivent être imprimées en 3D pour FTC, PLA (ou PLA+, Pro, etc.) et/ou PETG répondront à tous les besoins en termes de résistance, de durabilité et d’esthétique. Ces deux types de filaments sont de loin les plus faciles à imprimer et sont vendus par de nombreux fabricants à des prix raisonnables. La plupart des autres filaments présentés ici offrent des avantages très spécifiques (comme le TPU) qui ont un coût en termes d’efforts, de temps et d’argent.
Danger
Si la buse de votre imprimante (la partie qui fait fondre le filament) a un revêtement en PTFE (téflon) à l’endroit où le tube PTFE descend jusqu’au bloc thermique (commun dans les imprimantes à bas prix comme l’Ender 3 et ses variantes), alors vous ne devez pas imprimer à une température égale ou supérieure à 250 degrés Celsius. Le tube en PTFE se dégraderait et fondrait, libérant des fumées toxiques. Si vous devez imprimer à ces températures et que vous disposez d’une buse en PTFE, vous pouvez envisager de passer à une buse entièrement métallique.
PLA (Acide Polylactique)¶
Le filament d’impression 3D le plus courant est l’acide polylactique ou PLA. Il s’agit d’un plastique fabriqué à partir de sources biologiques telles que l’amidon de maïs et la canne à sucre. Le PLA est rigide, mais plus fragile que d’autres filaments et a tendance à ne pas se déformer lors de l’impression. Le PLA est bien adapté à la majorité des pièces de robots, mais il peut ne pas bien résister aux chocs (impacts sur les pièces), et les pièces doivent donc être conçues en conséquence.
Les températures des têtes de chauffe PLA sont comprises entre 190°-230° C.
Les températures du lit de PLA varient entre 20°-60° C, mais un lit chauffé n’est pas strictement nécessaire pour le PLA.
Astuce
En raison du point de fusion relativement bas du PLA, il n’est pas conseillé de laisser les pièces en PLA dans des endroits tels qu’une voiture chaude, car cela peut entraîner une déformation importante de ces pièces.
Il existe de nombreuses variantes de PLA vendues par différents fabricants, comme PLA+ ou PLA Pro. Ces filaments contiennent divers additifs destinés à améliorer la résistance, l’imprimabilité et d’autres propriétés. Bien que plus chers, ces produits peuvent améliorer considérablement les performances du PLA et couvrir ses faiblesses.
PETG (polyéthylène téréphtalate glycol)¶
Le PETG peut être décrit comme une amélioration résistante du PLA. Il n’est pas difficile à imprimer, mais il présente souvent un filage nettement plus important et d’autres artefacts mineurs. Bien que sa résistance à la traction soit techniquement inférieure à celle du PLA, il est beaucoup moins fragile et résiste mieux aux chocs, grâce à une légère flexion. C’est une excellente option pour les pièces FTC qui doivent être résistantes aux chocs et pour lesquelles le PLA ne suffit pas. Sa plus grande résistance à la température signifie également qu’il ne se déformera pas à une température ambiante élevée, comme dans une voiture chaude.
Avertissement
Le PETG est connu pour adhérer très bien aux lits d’impression, surtout le verre et le PEI, et est connu pour arracher des morceaux du lit. C’est une bonne idée d’ajouter un peu de colle ou de laque pour cheveux avant de l’utiliser pour imprimer.
Les températures des buses pour le PETG sont comprises entre 230°-260° C.
Les températures du lit de PETG sont comprises entre 60°-80° C.
Filaments moins courants¶
Ces filaments sont moins utilisés que ceux énumérés ci-dessus, mais peuvent encore trouver de nombreux cas d’utilisation sur un robot FTC. Ils sont généralement utilisés en raison des propriétés spécifiques du matériau, telles que la flexibilité ou la durabilité. Cependant, ils sont souvent accompagnés d’obstacles importants à l’impression qui empêchent certaines imprimantes de les imprimer dès le départ, et ils sont parfois beaucoup plus chers.
ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène)¶
L’ABS était le filament standard pour l’impression avant que le PLA ne soit disponible dans le commerce. Vous avez probablement déjà utilisé l’ABS pour des pièces LEGO. Il peut supporter des charges élevées et est assez ductile. Cela se fait au prix de difficultés d’impression, où une enceinte est souvent nécessaire pour augmenter la température ambiante et éviter une déformation excessive de la pièce. Les améliorations de la résistance par rapport au PLA peuvent être plus facilement trouvées dans le PETG, de sorte que les pièces en ABS ne sont pas aussi courantes en FTC. L’ABS est cependant assez abordable, vendu au même prix que le PLA.
Les températures de la buse de l’ABS sont comprises entre 230°-250° C.
Les températures du lit d’ABS sont comprises entre 100°-120° C.
Boîtier fortement recommandé pour éviter les déformations
En raison de la difficulté d’imprimer l’ABS et de ses limitations, on peut envisager des alternatives telles que l’ASA qui offre des propriétés similaires avec une bien meilleure imprimabilité.
TPU/TPE (polyuréthane thermoplastique/élastomère thermoplastique)¶
Le TPU et le TPE sont deux filaments d’impression courants qui sont largement utilisés pour leurs propriétés de matériaux flexibles. Cela permet de créer des pièces imprimées qui peuvent facilement se plier et se courber. Vendus sous différents duromètres (mesure de la dureté/flexibilité d’un matériau sur l’échelle de dureté de Shore), la résistance élevée aux chocs et l’adhérence des couches font du TPU/TPE un filament non seulement polyvalent, mais aussi extrêmement durable. En FTC, les équipes utilisent le TPU/TPE dans des rôles tels que les volets d’admission imprimés à la place d’un tube, ainsi que les courroies personnalisées pour les applications à faible charge.
Astuce
En raison de sa nature flexible, les imprimeurs qui utilisent un système d’extrusion à tube Bowden, où le moteur de l’extrudeuse n’est pas placé sur l’élément chauffant, auront beaucoup de mal à imprimer du TPU/TPE.
Les températures des extrémités chaudes des TPU/TPE sont comprises entre 210°-250° C.
Le TPU/TPE n’a généralement pas besoin d’un lit chauffé, mais s’il est utilisé, il ne doit pas dépasser 60 °C, car le TPU fusionnerait avec le lit d’impression.
Le TPU/TPE a tendance à absorber beaucoup d’humidité de l’air et devra donc être séché avant et peut-être pendant l’impression.
L’utilisation d’une extrudeuse à entraînement direct est fortement recommandée
Filaments exotiques¶
Ces filaments sont rarement nécessaires en FTC. Ils offrent d’excellentes propriétés matérielles pour les pièces qui doivent être soumises à des forces élevées et à des environnements défavorables. Ils sont tous beaucoup plus chers que les filaments mentionnés ci-dessus et présentent une multitude de défis pour l’impression.
Nylon¶
Les filaments de nylon peuvent être chargés de verre, de fibres de carbone ou purs. Le nylon est le roi de la résistance aux chocs dans de nombreuses situations où la pièce peut fléchir au lieu de se briser complètement. Le nylon est parfois utilisé pour des pièces telles que les enjoliveurs de roues sur les chaînes cinématiques et dans des endroits où il est soumis à des chocs et à des coups répétés. Le nylon requiert des températures très élevées, nécessite généralement une enceinte et doit absolument être séché avant (et pendant) l’impression.
Les températures de l’extrémité chaude du nylon sont comprises entre 240°-260° C.
Les températures du lit de nylon sont comprises entre 55°-80° C.
Le nylon est réputé pour absorber l’humidité de l’air et doit être soigneusement séché avant et pendant l’impression. Si vous ne le faites pas, vous obtiendrez probablement une pièce pratiquement inutilisable.
Boîtier recommandé
Rempli de fibre de carbone¶
De nombreux filaments sont également vendus avec l’ajout de petits morceaux de fibre de carbone mélangés au filament lui-même. Bien qu’ils soient souvent considérés comme une amélioration extrême de la résistance, ces filaments sont plutôt destinés à être plus rigides et à améliorer l’imprimabilité de filaments tels que le nylon. Les filaments remplis de fibres de carbone nécessitent généralement des températures plus élevées et une buse en acier trempé, mais si vous pouvez imprimer les variantes pures de ces filaments, vous devriez être en mesure d’imprimer leurs équivalents remplis de fibres de carbone.
Polycarbonate (PC)¶
Le polycarbonate et ses variantes sont des matériaux techniques très résistants. Le PC se distingue par sa capacité à être très rigide et à supporter très bien les chocs. Le PC nécessite également d’être sec, d’avoir une imprimante capable de supporter des températures très élevées et une enceinte. C’est un matériau très difficile à imprimer et souvent très cher. Il y a peu de raisons d’avoir besoin de pièces imprimées en polycarbonate en FTC, aucun cas d’utilisation ne nécessitant sa résistance.
Il existe plusieurs mélanges de PC qui peuvent être beaucoup plus faciles à imprimer, comme le PolyMaker PolyMax PC. Il s’agit d’un PC plus simple à imprimer, à température plus basse, qui conserve de nombreux avantages du PC pur. Le PolyLite n’est pas aussi résistant aux chocs, mais il est beaucoup moins cher. Les deux sont beaucoup plus simples à imprimer que le PC pur.
Les températures de la buse du PC sont comprises entre 250°-320° C.
Les températures du lit de PC sont comprises entre 80°-140° C.
Boîtier requis
Le filament doit être conservé au sec
Filaments exotiques haut de gamme¶
Il y a quelques autres matériaux qui peuvent avoir des avantages très haut de gamme, et repousser les limites de ce que l’impression 3D peut accomplir, mais qui ne devraient pas être imprimés si vous n’êtes pas très confiant dans vos compétences d’impression, et qui n’ont fondamentalement aucune utilité en FTC. Ces matériaux comprennent, entre autres, le Delrin (acétal homopolymère de polyoxyméthylène), le PEI (polyéther-imide, marque ULTEM), le PEEK (polyéther-éther-cétone) et le PEKK (polyéther-cétone-cétone). Ces matériaux sont extrêmement difficiles à imprimer, nécessitent des températures très élevées (certaines au point qu’une buse en acier trempé commence à fondre) et sont extrêmement coûteux.
Guide de conception de l’impression 3D¶
Voici un guide rapide sur la conception de pièces imprimées en 3D qui, nous l’espérons, sera utile aux équipes qui ne sont pas familiarisées avec les pièces en 3D.
La première chose à prendre en compte lors de la conception de pièces imprimées en 3D est l’orientation de l’impression. Il s’agit du côté qui entre en contact avec le lit d’impression. De préférence, la pièce doit avoir un fond plat pour maximiser le contact avec le lit d’impression.
Astuce
En maximisant le contact avec le lit d’impression, on s’assure que la pièce ne se délamine pas ou ne se déforme pas du lit et on améliore la qualité de l’impression.
S’il est impossible d’imprimer une face plane sur la pièce, une solution simple consiste à diviser la pièce en plusieurs parties le long d’un plan. Par exemple, la plaque de la boîte de vitesses ci-dessous n’avait pas de face plane sur laquelle imprimer, elle a donc été divisée en deux. La pièce a ensuite été prise en sandwich avec de nombreuses vis et de la colle plastique. Si cette plaque avait été imprimée en une seule pièce au lieu d’être coupée en deux, il aurait fallu utiliser un support pour créer tous les trous nécessaires. Les pièces qui n’utilisent pas de support permettent de réduire au maximum la quantité de plastique gaspillée.
Astuce
Ne chanfreinez pas et n’arrondissez rien sur le périmètre de la première couche sur la face inférieure de la pièce. Les chanfreins ou les arrondis augmentent les risques de déformation de la pièce, en particulier sur les plaques d’impression non chauffées.
Angle de dépouille¶
L’angle de dépouille correspond à l’angle de dépassement entre le côté de la pièce et le vecteur normal de la plaque d’impression. L’angle de dépouille maximal correspond à l’angle maximal que l’imprimante peut imprimer sans matériau de support et dépend de l’imprimante, des paramètres d’impression (notamment la vitesse, la température et le refroidissement) et du type de filament. Lorsque vous essayez de réduire le matériau de soutien, prenez en compte chaque angle de dépassement et assurez-vous qu’il est compris dans l’angle de dépouille maximal. Le fait de rester dans l’angle de dépouille maximum réduira également les risques de déformation de la pièce.
Vecteurs de contraintes¶
La considération la plus importante est peut-être celle des vecteurs de contrainte. Les pièces imprimées en 3D sont intrinsèquement plus résistantes sur deux axes et plus faibles sur un axe. L’axe le plus faible provient de l’action de superposition qui définit l’impression 3D FDM. Une solution courante consiste à augmenter la température d’impression jusqu’à une certaine limite, jusqu’à ce que la qualité d’impression commence à diminuer, mais l’axe le plus faible peut être résolu en divisant à nouveau les pièces en plusieurs parties. L’idée à retenir est d’essayer d’augmenter la résistance en optimisant les sections de la pièce sur le plan sur lequel elles sont imprimées. Par exemple, l’assemblage ci-dessous était chargé de suspendre l’ensemble du robot, il devait donc être le plus résistant possible pour une pièce imprimée en 3D.
Astuce
Il peut sembler contre-intuitif de diviser une pièce en plusieurs parties pour augmenter la force, mais il y a une logique derrière cela.
La pièce aurait pu être facilement imprimée en une seule fois, mais elle serait assez faible lorsque les contraintes sont exercées dans la direction ascendante. Le fait de diviser la pièce et de créer de nouvelles surfaces planes sur lesquelles imprimer renforcera chaque axe. *Si une petite pièce venait à se briser, le robot pourrait encore fonctionner quelque peu, ce qui serait préférable à une défaillance simultanée de l’ensemble de la pièce. Dans cet exemple, les pièces latérales ont été imprimées séparément sur un axe complémentaire afin de renforcer l’assemblage.
Cet assemblage est un bon exemple de la prise en compte de l’orientation des pièces, des angles de dépouille et des vecteurs de contrainte dans chaque partie de la conception. Il est possible de rendre des pièces complexes solides et sans support en les divisant simplement de la bonne manière.