La technologie d'impression 3D progresse à pas de géant. On parle tantôt de fabriquer de petits jouets pour divertir les enfants, tantôt on apprend qu'une imprimante 3D a construit un bâtiment en béton capable de résister à un séisme de magnitude 8. À terme, il semble même possible d'« imprimer en 3D une imprimante 3D ».

Mais abstraction faite des perspectives d'avenir, ce qui intéresse surtout les amateurs et les créateurs, ce sont les imprimantes 3D de bureau : les différents modèles disponibles, leur vitesse d'impression et leur prix. Si vous aimez comprendre les choses en profondeur, ou si vous avez déjà essayé de fabriquer vous-même une imprimante 3D, vous vous êtes sûrement déjà posé cette question : comment se déplacent-elles ?

Les imprimantes 3D de bureau XYZ, I3 et CoreXY sont actuellement les plus répandues. Leur fonctionnement est le suivant : la machine possède un ou plusieurs axes selon les directions X, Y et Z du système de coordonnées 3D. Chaque axe est équipé d'un moteur à son extrémité. Des courroies synchrones ou des vis sans fin transforment la rotation du moteur en un mouvement linéaire selon 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 à n'importe quel 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 remplissent principalement 3 fonctions lors de l'impression :

1. Précision : Réaliser une tolérance serrée, éviter les oscillations et garantir que la tête d'impression ou le plateau chauffant installé sur les guides se déplace linéairement dans la direction prédéterminée ;
2. Fluidité : Réduire la friction avec les roulements ou les rouleaux et contribuer à un mouvement plus fluide ;
3. Fiabilité : Des structures de guidage d'une excellente rigidité peuvent améliorer la fiabilité de la machine et contribuer à des impressions plus homogènes au fil du temps.

La variété des systèmes de guidage

De manière générale, les systèmes de guidage utilisés sur les imprimantes 3D comprennent :

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

Roues et profils

Parmi tous les systèmes de guidage, la combinaison de roues et de profilés est probablement la plus courante et la plus économique. Elle comprend généralement 3 à 4 rouleaux qui courent le long de 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 présente une haute résistance, une faible déformation et une excellente résistance à l'abrasion, ce qui le rend particulièrement adapté à la fabrication de roues d'imprimante. En utilisation normale, les rouleaux en POM peuvent durer des centaines d'heures. Certains fabricants utilisent également du PC (polycarbonate) pour fabriquer des roues, qui offrent une résistance et une durée de vie encore plus longues, mais à un prix légèrement supérieur.

Pour garantir un mouvement linéaire, les roues doivent adhérer correctement aux profils. Un jeu excessif peut engendrer des vibrations à haute vitesse. Un serrage trop important accélère l'usure : des débris peuvent s'accumuler entre les roues et les rails, provoquant un mouvement saccadé. 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 besoin. Comparé à d'autres systèmes de guidage, le système roue/profil nécessite un entretien plus fréquent.

De plus, les plastiques sont moins rigides que les métaux. La déformation des roues en mouvement est difficile à éviter ; par conséquent, les imprimantes à roues ont généralement une précision moindre que celles dotées 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 leur section transversale. Différents profils sont associés à différentes roues pour un guidage optimal.

Comme les profils sont personnalisables, peu coûteux et offrent des performances suffisantes, la combinaison de roues et de profils est le choix privilégié pour de nombreuses constructions d'imprimantes 3D à faire soi-même.

Avantages

• Bonnes performances de guidage, peu coûteux et utile ;
• Des options abondantes, largement disponibles ;
• Facile à installer, à utiliser et à modifier ;

Inconvénients

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

Tiges et paliers linéaires

Les limitations des guides à roue 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 et roulements linéaires. Ces dernières années, les systèmes de guidage par tiges et roulements sont devenus quasiment incontournables pour les imprimantes 3D. Chaque axe de l’imprimante nécessite au minimum deux tiges et deux roulements. Ces derniers s’enroulent ou se fixent aux tiges et sont reliés à des chariots supportant l’extrudeuse ou le plateau chauffant, assurant ainsi le guidage du mouvement linéaire.

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

Et oui, la fluidité présente aussi des inconvénients. Lorsqu'elles servent de guidage, les tiges doivent être fixées à leurs deux extrémités par des colliers métalliques. De plus, les roulements peuvent non seulement se déplacer linéairement, mais aussi pivoter 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. Assurer le parallélisme entre deux tiges peut s'avérer complexe, notamment pour les bricoleurs.

L'utilisation de guides d'arbre offre donc une précision et une stabilité accrues, mais aussi un encombrement et un poids plus importants, ainsi qu'une difficulté d'assemblage plus élevée.

Les paliers utilisés avec les tiges sont principalement des paliers à gorge en U et des paliers linéaires entièrement en acier. Les paliers à gorge en U ressemblent à des roues qui peuvent rouler le long des tiges. Les paliers linéaires sont constitués d'une bague cylindrique extérieure et de plusieurs rangées de billes intérieures qui peuvent se déplacer le long de l'arbre. Ces deux types de paliers permettent un guidage précis avec un minimum de frottement.

Les bielles et les paliers ont une longue durée de vie et ne nécessitent qu'un nettoyage occasionnel des dépôts accumulés sur les bielles et la lubrification des paliers. Si les bielles sont logées dans un carter au lieu de constituer le bâti, le démontage du carter et la lubrification des paliers sont simples. En revanche, le remplacement des paliers usés après une utilisation prolongée peut s'avérer un peu délicat.

Avantages

• Excellentes performances de guidage, haute précision, coût modéré ;
• Des options abondantes, largement disponibles ;
• Faible fréquence d'entretien ;

Inconvénients

• Encombrement et poids plus importants une fois fermés ;
• Le parallélisme peut poser problème ;
• Remplacer les roulements peut s'avérer délicat.

Rails linéaires

Le rail linéaire, également appelé guidage linéaire, connaît un essor important ces dernières années. Ce rail en acier comporte une rainure de chaque côté, et les glissières qui y sont fixées contiennent deux jeux de roulements à billes permettant leur déplacement le long de ces rainures. 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, en pratique, moins sensibles à la flexion et aux vibrations que les tiges. Ceci est principalement dû à leur mode de fixation spécifique. Les tiges sont fixées uniquement à leurs extrémités, tandis que les rails linéaires comportent des trous de fixation à intervalles réguliers sur leur surface, ce qui permet de les fixer solidement 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 vitesse maximale grâce à la prévention des vibrations excessives à haute vitesse. C'est l'une des raisons pour lesquelles la J1 permet une impression à haute vitesse.

Lors de l'assemblage, les rails linéaires peuvent guider un seul axe sans appariement, ce qui permet de gagner de la place et du poids et de rendre la machine plus légère et compacte. De plus, le parallélisme des rails n'est plus un problème.

Tout cela semble idéal, mais où est le hic ? Le prix. Des calculs approximatifs montrent que si les glissières pour rails linéaires ont un prix similaire aux 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 tout à fait convenables. En mettant en balance le surcoût et les gains de performance, la plupart des bricoleurs opteront toujours pour des tiges et des roulements.

Pour la maintenance, les rails linéaires sont similaires aux précédents et nécessitent une lubrification régulière des roulements. Les rails exposés doivent également être nettoyés occasionnellement.

Avantages

• Très haute précision ;
• Prend en charge l'impression à haute vitesse ;
• Encombrement réduit, utilisation pratique ;

Inconvénients

• Ne peut pas servir de structure de support, doit être installé sur des profilés, etc. ;
• Cher.

Rails linéaires intégrés

Au lieu d'utiliser directement les guides ci-dessus, certains fabricants, dans le but de faire progresser leurs 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 le mouvement précis et fluide permis par les roulements à billes. Ces avantages sont conservés dans les rails linéaires encastrés.

Pour fabriquer les modules linéaires, FUYU intègre deux bandes d'acier dans les parois internes du boîtier en alliage d'aluminium, puis usine ces bandes avec une précision micrométrique grâce à une machine CNC. De plus, la largeur accrue des rails intégrés améliore la rigidité sans augmenter le poids, ce qui convient mieux aux opérations CNC de haute puissance ; après tout, les imprimantes 3D classiques n'exigent pas une rigidité aussi extrême.

Comparativement au montage direct des rails linéaires sur les profilés, l'intégration des rails en acier à l'intérieur des modules linéaires empêche l'accumulation de poussière et réduit ainsi la fréquence de maintenance. Elle permet également d'obtenir des modules plus légers et plus compacts, évitant qu'une machine coûteuse ne ressemble à un projet de bricolage. Toutefois, l'intégration des rails linéaires représente un défi de fabrication considérable pour le producteur, sans avantage économique par rapport aux rails linéaires classiques.

Avantages

• Identique aux rails linéaires : très haute précision, supporte l’impression à grande vitesse, faible encombrement ;
• La rigidité des rails a encore été améliorée ;
• Fréquence d'entretien réduite grâce aux rails carrossables ;

Inconvénients

• Cher;
• Ne convient pas au bricolage.