Le dépôt de fil fondu (DFF) ou Fused deposition modeling (FDM) ou encore Fused Filament Fabrication (FFF) est une technologie d'impression 3D. On appelle aussi ce procédé impression 3D par extrusion de matériau Material Extrusion 3D printing (MEX).
Cette technologie consiste à déposer de la matière à l'état liquide couche par couche. La technologie utilise le plus souvent un filament de matière polymère qui est fondu puis extrudé pour construire une pièce couche par couche. Le matériau d’apport est extrudé au travers d’une buse sur la table de la machine. Le mouvement de la table ou de la buse permet de créer une couche de matériau ayant la géométrie désirée. La succession des différentes couches permet de créer la pièce finale.
Les filaments peuvent être composés de diverses matières, mais les plus communes sont le PLA et l’ABS. Le MEX permet aussi de mettre en forme des mélanges de polymères et de poudres métalliques ou céramiques. Pour la production de pièce de céramique ou métallique, des étapes de déliantage et de frittage seront nécessaires afin de retirer le liant polymérique utilisé lors de l’extrusion et pour densifier la pièce finale. Le matériau d’apport peut être sous forme de granule, de fil ou de pâte dépendamment du type d’extrudeur utilisé.
Histoire Cette technique a été mise au point en 1988 au sein de l’entreprise Stratasys, sous le nom de FDM. Le brevet de la technologie a expiré en 2009 et, tout de suite après cela, la diffusion des imprimantes DFF a connu un grand succès. Le terme Dépôt de Fil Fondu est neutre en français, mais en anglais il est préférable d'utiliser l'acronyme de FFF, car celui-ci a été formulé après la fin du brevet par des associations telles que RepRap, alors que le nom FDM reste la propriété de Stratasys.
Procédé vignette|Vidéo d'une imprimante DFF en plein travail Le DFF utilise l’extrusion d’une matière polymère qui est poussée dans une buse d’impression. Dans la grande majorité des imprimantes, la matière est stockée sous la forme d’un filament. La buse d’impression est chauffante, et fait fondre le polymère lors du passage dans la buse. Le débit d’impression est contrôlé par une roue en amont de la buse. Celle-ci tourne et entraîne le filament, le forçant dans la buse.
Le polymère qui est éjecté de la buse par la pression est en fusion et va se coller sur le matériau en dessous de lui. Afin de contrôler le dépôt, et afin de rester en phase liquide, la hauteur entre la buse et le matériau sur lequel on imprime est contrôlée. Cette distance, que l’on appelle hauteur de couche, est directement reliée au diamètre de la buse. En effet, les buses ont un diamètre qui varie commercialement entre et la hauteur de couche ne doit pas dépasser le tiers de ce diamètre. La hauteur de couche varie donc entre sur les imprimantes du commerce, selon la buse.
Variantes La technique de DFF ne nécessite pas que la matière soit sous la forme d’un filament : celle-ci peut aussi prendre la forme d’un cylindre, d’une pâte/barbotine (dans ce cas, il n'y a pas de fusion de la matière, qui est déjà sous une forme fluide, mais une injection par piston, le reste de la technique étant le même), ou de granules.
On peut décliner la fabrication additive par extrusion de matériau en trois familles selon le principe d’extrusion utilisé. La première famille regroupe les systèmes qui utilisent un apport continu de matière à l’état solide. La matière est ensuite fondue lors de son passage dans la buse par un apport d’énergie thermique. On peut distinguer deux méthodes de mise en forme de la matière qui alimentera l’extrudeur : une bobine de filament ou une cartouche cylindrique. La bobine de filament, principe largement utilisé pour la fabrication additive des polymères par fil fondu (Fused Filament Fabrication ou FFF), présente l’avantage d’offrir une extrusion continue. Toutefois, comme le filament doit conserver une certaine flexibilité pour permettre l’enroulement, la fraction volumique de poudre dans le mélange est limitées à un maximum 60%. Cette faible proportion de poudre risque de générer des problèmes lors du déliantage ou du frittage et conduire à la production de pièce contenant un taux de porosité plus élevé. Ce type d’extrusion est donc moins adapté pour la production de pièce de céramique ou de métal et convient mieux à la mise en forme de pièces polymériques seulement. Pour éviter ce problème, certaines imprimantes optent alors pour une alimentation via une cartouche cylindrique linéaire. Cette méthode permet alors d’augmenter la fraction volumique de poudre dans le mélange, mais on perd l’intérêt principal de l’extrusion en continu. Pour cette famille d’extrusion, la principale difficulté est de conserver un débit de matière constant. Comme la viscosité des polymères varie généralement en fonction de la température et du taux de cisaillement, le système doit être en mesure de compenser en temps réel le glissement entre les roues motrices et le fil de matière. En effet, si la viscosité du fil fondu augmente, la pression dans l’extrudeur est plus grande et occasionne alors un glissement plus important. Le diamètre du filament ou de la cartouche doit aussi être constant sur toute sa longueur pour éviter des fluctuations de débit. Finalement, cette famille a aussi l’inconvénient de nécessiter une mise en forme du mélange avant de pouvoir procéder à l’extrusion.
La deuxième famille d’extrudeur est celle utilisant le principe de vis sans fin. Ici, le mélange est ajouté sous forme de granulé dans le réservoir de la machine et sera liquéfié par l’énergie thermique et mécanique lors de son passage dans la vis sans fin. L’extrudeur à vis a pour avantage de liquéfier au fur et à mesure le mélange requis pour l’impression, il est ainsi possible d’imprimer sans interruption des pièces de volume important puisque du mélange peut être ajouté sans suspendre le procédé d’impression. Ce type d’extrudeur permet d’utiliser une grande variété de mélange avec des chargements solides élevés. Cependant, un extrudeur à vis est généralement lourd, encombrant et dispendieux. Ce type d’extrudeur est largement répandu pour la production de pièces polymériques, car des pressions élevées sont requises pour leur mise en forme. En MEX de pièces métalliques ou céramiques, la nature abrasive des mélanges entraîne l’usure prématurée de ce type d’équipement qui doit alors être conçu spécifiquement pour ce type de mélange. Pour les mélanges à faible viscosité, les faibles pressions nécessaires à la mise en forme du mélange ne justifient pas l’intérêt de s’équiper d’un système coûteux et complexe comme ce type d’extrudeur.
La troisième famille regroupe les systèmes où le matériau est inséré directement dans le réservoir sous forme liquide ou sous forme de granulé qui sera ensuite liquéfié par un apport d’énergie au réservoir. Une fois le mélange à l’état liquide, deux méthodes peuvent être utilisées pour extruder la matière via la buse. La première est similaire à une seringue, où le déplacement du piston est contrôlé par une pression d’air. Ce principe, limité en pression, est principalement utilisé pour la fabrication de pièce de très petite taille, généralement en céramique, par micro-extrusion avec des buses très fines pouvant aller jusqu’à 0.1 µm de diamètre. La deuxième méthode utilise un piston motorisé qui est utilisé pour forcer le mélange à l’extérieur du réservoir via la buse. Cette technique permet l’utilisation d’une grande diversité de matériau et de mélange. La précision du contrôle de la vitesse de déplacement du piston est cruciale afin d’avoir une maîtrise adéquate sur le débit sortant de matière. Il est généralement avantageux d’avoir un diamètre de piston faible afin que sa vitesse de déplacement ne soit pas trop limitée (i.e., un faible déplacement du piston n’engendre pas le déplacement d’un grand volume de matière). Le volume du réservoir ne doit pas être trop élevé puisque dû à la composition de certains mélanges, les poudres en suspension dans le liant polymérique cherchent à se déposer dans le bas du réservoir sous l’effet de la gravité, rendant ainsi le mélange hétérogène. Pour les pièces de plus grande dimension, il peut donc être nécessaire de remplir le réservoir à plusieurs reprises. Il est à noter que les mélanges à très faible viscosité peuvent être problématiques pour l’extrudeur à piston puisque la matière tend à s’écouler de la buse par gravité sans que le piston y applique une force.
L’impression Le DFF commence à la création de la pièce à l'aide d'un logiciel de CAO. Ce modèle est exporté sous forme d'un fichier STL dans lequel la pièce est représentée par un ensemble de triangles orientés dans l'espace à trois dimensions. Ce fichier est interprété par un logiciel d’impression – tel que Cura – qui découpe le solide en tranches et crée des supports si nécessaire. La buse suit un parcours pour chaque couche, celui-ci est contrôlé par de nombreux paramètres dans le logiciel d’impression, comme le taux de remplissage, le motif de remplissage, la hauteur des couches, le nombre de cordons d’impression… Ce solide tranché est ensuite transformé en instructions pour l’imprimante 3D, sous forme d’un fichier GCODE. Celui-ci contient les instructions de déplacement de la buse selon les axes X et Y et, en fonction des machines, les instructions de déplacement de la buse ou du plateau selon l'axe Z. Le GCODE est ensuite traduit par l’imprimante qui actionne des moteurs (servomoteur ou pas-à-pas) afin de traduire le mouvement. À chaque fin de couche, la distance entre le plateau et la buse augmente de l’incrément de hauteur de couche. Ce procédé continue jusqu’à la fin de la pièce.
Afin d’avoir une bonne adhérence entre le cordon et la couche inférieure, que ce soit la pièce ou le plateau, la température doit être contrôlée. En effet, les plateaux sont chauffés au-dessus de 60 °C, et le contrôle de température de la chambre d’impression (ou de la pièce s'il n'y a pas de chambre) permet une meilleure impression en évitant les malformations. De plus, une atmosphère contrôlée en gaz inerte améliore la qualité des impressions, mais la mise en place d’une enceinte étanche autour de l’imprimante et le contrôle du contenu de celle-ci est plus difficile pour le grand public que celle d’une simple enceinte isolante.
Le matériau d’impression De nombreux types de polymère sont disponibles pour l’impression. Des matériaux plastiques sont de plus en plus utilisés dans le domaine industriel. Les plus courants sont le PLA, l’ABS, le PVA en tant que support, car soluble à l’eau, le PC, le Nylon, le PET(G), le PP et le PA. On peut aussi trouver des matériaux renforcés avec des fibres, notamment du PLA/PET chargé en fibres de carbone ou du Nylon chargé en fibres de verre. De plus, certains filaments à but esthétique sont chargés en bois, en pierre ou en métal afin que la texture, le poids et l’esthétique soient différents de ceux du plastique. Enfin nous pouvons retrouver des filaments flexibles tel que le TPU. A noter que pour imprimer ce genre de matériaux, il faut que le moteur entraînant la roue cranté servant à pousser le filament dans la buse soit monté en "direct drive". C'est a dire directement sur la tête d'impression. Cette installation est nécessaire pour éviter que le filament de se tasse dans la tube guide utilisé dans le cas d'un moteur d'extrusion déporté. Ce type de filament présente des propriétés mécaniques très intéressantes.