La technologie d'impression 3D progresse à pas de géant. Un instant, nous discutons de la fabrication de petits jouets pour divertir les enfants, et l'instant d'après, nous apprenons qu'une imprimante 3D a construit un bâtiment en béton capable de résister à un tremblement de terre de magnitude 8. Avec le temps, « imprimer en 3D une imprimante 3D » semble également possible.

Mais au-delà des perspectives, ce qui intéresse le plus les amateurs et les créateurs, ce sont les imprimantes 3D de bureau : quels sont les différents types, leur vitesse d'impression et leur prix. Si vous aimez aller au fond des choses, ou si vous avez déjà essayé de fabriquer une imprimante 3D vous-même, vous vous êtes sûrement déjà posé cette question : comment fonctionnent-elles ?

XYZ, I3 et CoreXY sont actuellement les imprimantes 3D de bureau les plus populaires. Leur mode de déplacement est le suivant : la machine possède un ou plusieurs axes dans les directions X, Y et Z du système de coordonnées 3D. Une extrémité de chaque axe est équipée d'un moteur pour l'alimentation. Des courroies synchrones ou des vis-mères convertissent ensuite la rotation du moteur en mouvement linéaire dans les directions X, Y et Z. Enfin, grâce aux systèmes de rails de guidage linéaires dans les trois directions, la machine peut positionner la buse en tout point de l'espace 3D formé par les axes, extruder le filament et créer un objet 3D.

Pourquoi les systèmes de guidage sont-ils importants ?

Les systèmes de guidage servent principalement à 3 fins lors de l'impression :

1. Précision : réalisez une tolérance serrée, évitez les oscillations et assurez-vous que la tête d'impression ou le lit chauffant installé sur les guides se déplace linéairement le long de la direction prédéterminée ;
2. Douceur : Réduit la friction avec les roulements ou les rouleaux et contribue à un mouvement plus fluide ;
3. Fiabilité : les structures de guidage dotées d'une excellente rigidité peuvent améliorer la fiabilité de la machine et contribuer à des impressions plus cohérentes au fil du temps.

La variété des systèmes de guidage

En général, les systèmes de guidage utilisés sur les imprimantes 3D comprennent :

1. Roues et profils
2. Tiges et roulements linéaires
3. Rails linéaires
4. Rails linéaires intégrés

Roues et profils

Parmi tous les guidages, la combinaison de galets et de profilés est probablement la plus courante et la plus économique. Trois ou quatre galets parcourent généralement la rainure en V ou en T du profilé pour guider les mouvements.

La bague extérieure des roues est généralement en POM (polyformaldéhyde), tandis que la bague intérieure est composée d'acier et de roulements à billes. Le POM offre une grande résistance, une faible déformation et une excellente résistance à l'abrasion, ce qui le rend particulièrement adapté à la fabrication de roues d'imprimantes. Utilisés correctement, les rouleaux en POM peuvent durer des centaines d'heures. Certains fabricants utilisent également du PC (polycarbonate) pour fabriquer des roues, offrant une résistance et une durée de vie encore plus élevées, mais à un prix légèrement plus élevé.

Pour garantir un mouvement linéaire, les roues doivent adhérer correctement aux profils. Un serrage trop lâche peut entraîner des vibrations à haute vitesse. Un serrage trop serré accentue l'usure : des débris peuvent s'accumuler entre les roues et les rails, provoquant des mouvements saccadés ou saccadés. Il est donc nécessaire d'ajuster le serrage des roues en fonction du fonctionnement de l'imprimante, de nettoyer les débris et de remplacer les roues si nécessaire. Comparé aux autres guides, l'ensemble roue et profil nécessite un entretien plus fréquent.

De plus, les plastiques ont une rigidité inférieure à celle des métaux. La déformation des roues pendant le mouvement est difficile à éviter ; les imprimantes utilisant des roues ont donc généralement une précision inférieure à celles équipées de guides en acier.

Les profils couramment utilisés sur les imprimantes 3D sont disponibles en deux types : les profils à rainure en V et les profils à rainure en T. Comme leur nom l'indique, la principale différence réside dans la forme de la section transversale. Différents profils sont associés à différentes roues pour un guidage optimal.

Étant donné que les profils sont personnalisables, peu coûteux et offrent des performances suffisantes, la combinaison de roues et de profils est le premier choix pour de nombreuses constructions d'imprimantes 3D DIY.

Avantages

• Bonnes performances de guidage, bon marché et utile ;
• Options abondantes, largement disponibles ;
• Facile à installer, à utiliser et à modifier ;

Inconvénients

• Précision inférieure ;
• Plus sujet aux vibrations ;
• Nécessite un entretien plus fréquent.

Tiges et roulements linéaires

Les limitations des guides à molette et à profil ont incité les bricoleurs et les fabricants à se tourner vers une autre combinaison offrant une précision et une stabilité supérieures : les tiges linéaires et les roulements. Ces dernières années, les guides à tiges et à roulements sont devenus quasiment synonymes de systèmes de guidage pour imprimantes 3D. Au moins deux tiges et deux roulements sont nécessaires pour chaque axe de l'imprimante. Les roulements s'enroulent ou s'accrochent aux tiges, tout en étant reliés à des chariots équipés d'une extrudeuse ou d'un plateau chauffant, pour guider le mouvement linéaire.

Une tige linéaire, aussi appelée tige lisse, est simplement une tige cylindrique en acier, disponible en différentes tailles ; les imprimantes 3D utilisent généralement des tiges de 8 mm de diamètre. Les tiges peuvent être usinées avec une grande précision dimensionnelle et présentent des surfaces très lisses. Associées à des roulements à billes, des tiges correctement assemblées permettent d'obtenir des mouvements linéaires relativement bons.

Et oui, le fait d'être lisse présente aussi des inconvénients. Pour le guidage, les tiges doivent être fixées à leurs deux extrémités avec des pinces métalliques. De plus, les roulements peuvent non seulement se déplacer linéairement, mais aussi tourner à 360° autour des cylindres. C'est pourquoi ils doivent être fixés à des roulements sur une autre tige parallèle pour permettre le déplacement linéaire de l'extrudeuse ou du plateau chauffant. Le parallélisme entre deux tiges peut être complexe, surtout pour les bricoleurs.

Ainsi, l'utilisation de guides d'arbre signifie d'une part une précision et une stabilité accrues, mais également un encombrement et un poids plus importants, ainsi qu'une difficulté d'assemblage plus élevée d'autre part.

Les roulements utilisés avec les tiges sont principalement des roulements à gorge en U et des roulements linéaires entièrement en acier. Les roulements à gorge en U ressemblent à des roues roulant le long des tiges. Les roulements linéaires sont dotés d'un manchon cylindrique à l'extérieur et de plusieurs rangées de billes à l'intérieur, qui peuvent se déplacer le long de l'arbre. Ces deux types de roulements assurent un guidage fluide avec un minimum de frottements.

Les tiges et les roulements sont durables ; un nettoyage occasionnel des dépôts et une lubrification des roulements suffisent. Si les tiges sont enfermées dans un boîtier au lieu de servir de cadre, le démontage du boîtier et la lubrification des roulements sont simples. Cependant, le remplacement de roulements usés après une utilisation prolongée peut s'avérer délicat.

Avantages

• Excellentes performances de guidage, haute précision, coût modéré ;
• Options abondantes, largement disponibles ;
• Faible fréquence de maintenance ;

Inconvénients

• Encombrement et poids plus importants une fois fermés ;
• Le parallélisme peut être un problème ;
• Le remplacement des roulements peut être délicat.

Rails linéaires

Le rail linéaire, également appelé guidage linéaire, est très tendance ces dernières années. Ce rail en acier est doté d'un rail de chaque côté, et les glissières qui y sont imbriquées contiennent deux jeux de roulements à billes qui peuvent se déplacer le long des rails. Outre les imprimantes 3D industrielles, de plus en plus de fabricants d'ordinateurs de bureau utilisent également des rails linéaires dans leurs gammes de produits haut de gamme.

Bien que tous deux soient en acier, les rails linéaires sont moins sensibles à la flexion et aux vibrations que les tiges. Cela s'explique principalement par leur méthode de montage unique. Les tiges sont fixées uniquement aux deux extrémités, tandis que les rails linéaires sont dotés de trous de fixation à intervalles réguliers en surface, ce qui leur permet d'être solidement fixés au boîtier ou à d'autres structures de support.

Cela garantit un mouvement linéaire stable et améliore la qualité d'impression, tout en augmentant la limite de vitesse en évitant les vibrations excessives à haute vitesse. C'est l'une des raisons pour lesquelles la J1 permet d'imprimer à grande vitesse.

Lors de l'assemblage, les rails linéaires peuvent guider un seul axe sans couplage, ce qui permet de gagner de l'espace et du poids, rendant la machine plus légère et compacte. De plus, le parallélisme des rails n'est pas à prendre en compte.

Tout cela semble prometteur, mais quel est le problème ? Le prix. Des calculs approximatifs montrent que si les patins pour rails linéaires ont des prix similaires à ceux des roulements pour tiges, les rails eux-mêmes coûtent environ 2,5 à 4 fois plus cher qu'une paire de tiges de longueur équivalente. En comparaison, les tiges sont bon marché et de bonne qualité. Compte tenu du surcoût et des gains de performances, la plupart des bricoleurs opteraient tout de même pour des tiges et des roulements.

Concernant l'entretien, les rails linéaires sont similaires aux précédents : une lubrification régulière des roulements est nécessaire. Les rails exposés nécessitent également un nettoyage occasionnel.

Avantages

• Très haute précision;
• Prend en charge l’impression à grande vitesse ;
• Faible encombrement, pratique à utiliser ;

Inconvénients

• Ne peut pas servir de structures de support, doit être installé sur des profils, etc.
• Cher.

Rails linéaires intégrés

Au lieu d’utiliser directement les guides ci-dessus, certains fabricants, dans le but de faire progresser les capacités techniques ou de répondre aux besoins de produits spécifiques, explorent également de meilleures solutions.

Les principaux atouts des rails linéaires résident dans la grande rigidité des rails en acier et dans le mouvement précis et fluide assuré par les roulements à billes. Ces avantages sont préservés dans les rails linéaires intégrés.

Lors de la fabrication des modules linéaires, FUYU intègre deux bandes d'acier dans les parois intérieures du boîtier en alliage d'aluminium, puis usine l'acier par CNC pour en faire des rails avec une précision d'usinage de l'ordre du micron. De plus, grâce à des rails intégrés plus larges, la rigidité est encore améliorée sans augmenter le poids, ce qui est mieux adapté aux opérations CNC haute puissance ; après tout, les imprimantes 3D classiques n'exigent pas une rigidité aussi extrême.

Comparé au montage direct des rails linéaires sur la surface des profilés, l'intégration des rails en acier dans les modules linéaires évite l'accumulation de poussière, réduisant ainsi la fréquence de maintenance. Cela rend également les modules plus légers et compacts, évitant ainsi qu'une machine coûteuse ne ressemble à un projet de bricolage. Cependant, l'intégration des rails linéaires pose des défis de fabrication considérables pour le fabricant, sans avantage de coût par rapport aux rails linéaires classiques.

Avantages

• Identique aux rails linéaires : très haute précision, prend en charge l'impression à grande vitesse, faible encombrement ;
• La rigidité du rail est encore améliorée ;
• Fréquence de maintenance réduite avec rails fermés ;

Inconvénients

• Cher;
• Ne convient pas au bricolage.