Il existe une variété impressionnante de thermoplastiques pouvant être imprimés sur des imprimantes 3D de bureau grand public. Malgré cela, les utilisateurs se tournent le plus souvent vers les filaments de polylactide (PLA). Ce n'est pas seulement le moins cher des matériaux, mais aussi le plus facile à travailler. Il peut être extrudé dès 180 ° C et de bons résultats peuvent être obtenus même sans chauffer la table. L'inconvénient des objets imprimés en PLA est qu'ils sont relativement cassants et ne tolèrent pas bien les températures élevées. Pour le prototypage ou l'impression de composants légers, le PLA est excellent. Cependant, de nombreux utilisateurs dépassent rapidement ses capacités.
L'étape suivante est généralement le polyéthylène téréphtalate (PETG). Il n'est pas beaucoup plus difficile à travailler que le PLA, alors qu'il est plus fiable et résiste à des températures plus élevées. En général, il est mieux adapté à la création de pièces sollicitées mécaniquement. Mais si vous avez besoin de fabriquer des pièces encore plus solides et plus résistantes à la chaleur, vous pouvez passer à l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), au polycarbonate (PC) ou au nylon. Et c'est là que les problèmes commencent. Ces matériaux sont extrudés à des températures supérieures à 250 ° C, et pour de meilleurs résultats, il est recommandé d'utiliser des chambres fermées. Ces imprimantes sont au sommet de la fourchette budgétaire avec laquelle les amateurs sont prêts à travailler.
Les imprimantes 3D industrielles comme celle-ci, l'Apium P220, commencent à environ 30 000 $.
Cependant, les imprimantes 3D industrielles les plus chères peuvent utiliser des plastiques encore plus résistants - polyétherimide (PEI) ou quelque chose de la famille des polyaryléthercétones (PAEK, PEEK, PEKK) ... Les composants fabriqués à partir de ces plastiques conviennent aux applications aérospatiales car ils peuvent remplacer le métal tout en restant beaucoup plus légers.
Ces plastiques doivent être extrudés à des températures de l'ordre de 400 ° C, et une chambre étanche est nécessaire pour le fonctionnement, la température à laquelle dépasse constamment 100 ° C. Les imprimantes de ce type les moins chères coûtent des dizaines de milliers de dollars, et certains modèles coûteront même six chiffres.
Naturellement, il n'y a pas si longtemps, on pouvait dire la même chose de toutes les imprimantes 3D. Jadis, seuls des laboratoires de recherche bien équipés utilisaient de telles machines, mais ils sont maintenant sur les établis des hackers et des amateurs du monde entier. Il est difficile de prévoir si la même course à la baisse des prix commencera dans le cas des imprimantes 3D haute température, mais les premiers pas pour démocratiser la technologie ont déjà été franchis.
Difficultés d'ingénierie
En termes simples, la machine qui prend en charge ces soi-disant. «Engineering plastics», vous devez être un hybride d'une imprimante 3D et d'un poêle. Tel est bien sûr le problème principal. L'imprimante elle-même - le type et la qualité que nous avons l'habitude de voir sur nos bureaux - ne survivra pas dans de telles conditions. Pour qu'une imprimante grand public produise des pièces en plastique PEI et PEEK, elle doit être sérieusement recyclée. C'est ce qui est venu de la NASA LulzBot TAZ 4 en 2016.
LulzBot TAZ 4, repensé pour prendre en charge l'impression à haute température
Tout d' abord, un corps isolé a dû être conçu pour s'adapter au TAZ 4, et un ensemble de lampes infrarouges de 35 W pour le chauffage a dû être installé. Dans de telles conditions, l'électronique de l'imprimante surchaufferait naturellement - ils devaient donc l'emmener à l'extérieur.
Les moteurs pas à pas surchaufferaient également. Mais au lieu de les réaliser, une équipe du Langley Research Center a décidé de fabriquer des carénages de refroidissement sur chacun des moteurs dans lesquels l'air comprimé circulerait.
Comme de nombreuses imprimantes 3D de bureau , la TAZ 4 utilise plusieurs composants imprimés. Comme ils sont en ABS, ils s'effondreraient rapidement dans une chambre conçue pour supporter le PEEK. Ils ont été imprimés à partir d'un PC, mais même ce matériau n'était pas assez durable pour une utilisation constante. Dans la tradition classique de RepRap, l'équipe a imprimé le dernier, troisième ensemble de composants sur l'imprimante la plus modifiée, à partir de plastique PEI, dénommé commercialement Ultem.
Étonnamment, l'équipe a eu peu de mal à remplacer la buse de l'imprimante par une autre capable d'extruder du plastique à 400 ° C. L'extrudeuse populaire E3D-v6 coûte moins de 100 $ et s'est avérée capable de maintenir cette température. Certes, l'équipe a dû remplacer la thermistance par une meilleure, ainsi que modifier le firmware Marlin pour lui permettre d'atteindre des températures élevées. Avec les imprimantes conventionnelles, une température trop élevée devrait provoquer un arrêt d'urgence.
Résultats de l'impression à partir du plastique Ultem 1010 sur un LulzBot TAZ 4 recyclé.
En fin de compte, un rapport de la NASA a indiqué que le remaniement du LulzBot TAZ 4 était complètement réussi. Ils ont noté que la tentative d'impression du PEI avec les lampes infrarouges éteintes a échoué - le modèle était délaminé et déformé, ce qui était normal. Cependant, ils n'ont pas indiqué le coût de la refonte, étant donné qu'à ce moment-là TAZ 4 coûtait 2 200 $, l'ensemble du projet pouvait coûter 10 fois moins cher que des propositions commerciales similaires.
Partir de zéro
L'expérience de la NASA a montré qu'une imprimante 3D de bureau existante peut être convertie pour l'impression avec des plastiques techniques à haute température, et à peu de frais. Mais presque personne ne pense que cette approche est la solution idéale. Il y a trop d'opérations répétitives impliquées et les ingénieurs de la NASA ont dû abandonner certaines des décisions prises par les développeurs de LulzBot. Pourtant, l'expérience a fourni une base de référence précieuse pour d'autres projets construits à partir de zéro.
En septembre 2020, une équipe de la Michigan Technological University a présenté CerberusEst une imprimante 3D haute température open source capable de créer des articles à partir de PEI et PEKK, qui ne coûte que 1000 $ à assembler. Sans essayer d'adapter les conceptions existantes, l'équipe a commencé le développement à partir de zéro, visant une impression à haute température. Tous les composants électroniques sont logés séparément de la chambre scellée à l'aide d'un élément chauffant kilowatt qui élève rapidement la température de la chambre à la température de fonctionnement.
Tous les moteurs pas à pas sont également hors de la caméra. De ce fait, la cinématique devient plus complexe que dans les imprimantes 3D de bureau, mais Cerberus ne nécessite plus de système de refroidissement spécial pour les moteurs.
Construire Cerberus est tout à fait abordable pour l'amateur ambitieux. Il a un circuit simplifié, une électronique de contrôle prête à l'emploi basée sur Arduino Mega 2560 et RAMPS 1.4, et la même extrudeuse E3D-v6 que TAZ 4. De plus, l'équipe a présenté des instructions claires et détaillées pour l'assemblage de l'imprimante - ce n'est pas dans le rapport de la NASA rencontrer.
Élargir les opportunités
Qu'il s'agisse d'une refonte de la TAZ 4 de la NASA ou de nouveaux designs comme Cerberus, il est clair que les capacités techniques de l'impression PEI et PEEK dans l'atelier à domicile sont déjà disponibles pour ceux qui en ont désespérément besoin. Bien que ce ne soit pas aussi facile que d'acheter une imprimante 3D à 200 $ d'Amazon, si la demande se fait sentir, il y aura des machines moins chères sur le marché basées sur les mêmes principes. La situation n'est pas très différente de la vague actuelle de découpeurs laser abordables qui arrivent sur les marchés ces dernières années.
Des fans du monde entier impriment des EPI
Y a-t-il une demande pour de telles machines? Il y a un an, la réponse aurait pu être différente de celle d'aujourd'hui. Mais dans la lutte contre la pandémie de coronavirus, il existe une nouvelle demande pour la fabrication rapide d'équipements de protection individuelle (EPI) que personne n'aurait pu prévoir.
Comme décrit dans l'article Cerberus, l'équipe s'est passionnée pour développer une imprimante 3D haute température abordable, précisément parce qu'elle peut être utilisée pour imprimer des EPI pouvant être stérilisés à haute température. L'équipe pense que les masques imprimés à partir de PEKK peuvent être réutilisés plutôt que jetés.
Les composants qui peuvent être imprimés et stérilisés plusieurs fois auront évidemment d'autres applications médicales potentielles. Une machine portable et peu coûteuse capable de produire de tels composants a le potentiel de sauver des vies dans des endroits de la planète où un accès rapide aux fournitures et à l'équipement n'est pas possible.
Les critiques de l'impression 3D ont souvent dit que le principal inconvénient de ces machines est que la fiabilité des articles qu'elles fabriquent leur permet rarement de les utiliser pour autre chose que du prototypage brut. Mais lorsqu'une imprimante à 1 000 $ commence à produire des composants de qualité aérospatiale, nous semblons nous diriger vers une révolution manufacturière à un rythme sans précédent.