Zoom sur l'entrainement du fil

L’entrainement du fil est un des mécanismes principaux dont dépend la qualité de l’impression 3D.

Le procédé consiste à pincer le fil entre un galet d’entrainement (en jaune sur l’illustration) et un galet presseur (en orange). L’un de ces 2 éléments doit comporter une gorge pour maintenir le fil en position. Le galet d’entrainement doit comporter une surface antidérapante (dents ou stries) pour éviter le glissement du fil. Pour garantir la maitrise de la matière déposée lors de l’impression, il est impératif que chaque mouvement angulaire demandé au galet soit traduit par un mouvement du fil dans les mêmes proportions.

Dans la plupart des mécanismes, le galet presseur est assuré par un roulement à billes, idéal pour supporter ces contraintes radiales. Par contre, cela implique que la gorge de centrage doit se trouver sur le galet d’entrainement, en plus de la surface antidérapante. L’obtention d’une denture dans la gorge complique l’usinage de l’élément, ce qui en augmente le coût.  Les modèles de galets (ou poulies) d’entrainement sont variés. Il est préférable de choisir l’inox au laiton, car les stries résistent mieux à l’usure, et vous risquez moins de « foirer » le filetage des vis de fixation, qui ne comportent souvent que peux de filets.

Choisissez une gorge proche du diamètre du fil à utiliser pour réduire la déformation de ce dernier. Le choix du diamètre du galet dépend de ce que vous voulez privilégier. Plus le diamètre est réduit et plus le moteur aura de force pour pousser le fil. Le couple d’entrainement est défini par une force disponible à une distance donnée (bras de levier), la force augmente quand la distance diminue, et vice versa. Plus le diamètre est réduit, moins le moteur aura de chances de caler, mais plus la surface en contact avec le fil, destinée à l’entrainement, sera réduite. Le fil sera aussi plus sensible à la déformation, car la pression d’entrainement sera concentrée sur une plus petite surface, déformation qui, si elle est trop importante, va bloquer le fil à l’entrée de guide-fil.

Pour maitriser l’entrainement, il est important de prévoir un réglage assez fin de la pression du galet pour l’adapter à la matière du fil. Un ressort bien dimensionné, complété d’une rondelle et d’un écrou, font souvent très bien l’affaire.


Pour les imprimantes destinées à utiliser des matériaux souples, il est impératif de guider le fil au plus près de la sortie des galets (pièce en vert sur l’illustration). Les matériaux souples, tels que le PVA ou Flex, ont une capacité étonnante à s’échapper, à boucler, dès qu’un peu de place leur est offerte. Ne laissez pas plus de quelques dixièmes de millimètre de jeux dans votre système de guidage, en évitant impérativement de gêner le mécanisme. Tout doit être impeccablement aligné pour avoir une poussée verticale sans contrainte.


Élargissons maintenant notre regard pour nous intéresser à l’entrainement du galet; il peut être placé, soit directement sur l’axe moteur, soit sur un axe dérivé.

La fixation de cette poulie directement sur l’axe du moteur a l’avantage d’avoir un encombrement, un poids et un coût réduit.

L’encombrement réduit permet parfois d’augmenter les courses de l’imprimante.

Un poids moindre permet de diminuer l’inertie de déplacement et donc d’augmenter potentiellement la vitesse.

Pour utiliser cette solution, vous devez avoir un moteur qui délivre un couple suffisant et une tête conçue pour limiter les contraintes de colmatage (voir l'article "Le rôle du canon"). Ce principe est couramment utilisé pour les fils de diamètre 1,75mm dont l’effort nécessaire est modéré.

Quand le galet d’entrainement est situé sur l’axe moteur, prévoyez une ventilation. Il faut savoir qu’un moteur pas à pas peut chauffer à 60° sans problème, et donc son axe aussi. Ce phénomène est accentué par un environnement qui lui aussi peut chauffer. Pour conserver les caractéristiques de la matière tout au long de l’impression, elle doit être refroidie. Cela est particulièrement le cas pour les matières comme le PLA dont la transition vitreuse (état où la matière devient caoutchouteuse) débute à 60°. Sans refroidissement, vous risquez la réduction considérable de la capacité d’entrainement et la déformation du fil, ce qui conduit souvent à l’arrêt de l’impression.

 

La fixation du galet d’entrainement sur un axe dérivé permet de démultiplier la puissance du moteur, et ainsi de ne pas subir de calage lors d’efforts importants. Cette solution souvent utilisée pour le fil de 3mm a ses inconvénients :

Avoir un couple important n’est bénéfique que si le système d’entrainement ne patine pas.

Les engrenages utilisés pour la démultiplication risquent d’engendrer des jeux et donc une perte de finesse dans la gestion du fil, et parfois des points durs.

Le poids génère de l’inertie, ce qui réduit la vitesse de déplacement possible.

Le coût de réalisation est plus élevé.

 

Il reste maintenant à nous intéresser à la localisation du système d’entrainement dans l’imprimante. Il peut être situé, soit sur la tête d’impression (qui est mobile), soit déporté sur la structure de l’imprimante.

Quand l’entrainement du fil est sur la tête d’impression, il augmente celle-ci, au minimum, du poids de la motorisation. La structure de l’imprimante doit donc être dimensionnée en conséquence pour ne pas subir une réduction des vitesses de déplacements liées à l’inertie. On peut considérer que cette solution est plus chère, car elle oblige à avoir une imprimante plus solide. Par contre, son positionnement au plus prêt du guide-fil lui confère la gestion de la matière la plus performante, et donc une qualité d’impression en conséquence.


Concernant les conceptions pour lesquelles l’entrainement est déporté sur la structure de l’imprimante, l’avantage est le faible poids de la tête d’impression. Cela permet des vitesses de déplacements plus importantes tout en ayant une structure plus « light ». Le coût de l’imprimante s’en trouve normalement réduit. Mais il y a aussi des inconvénients. La particularité de ce dispositif est d’intercaler le tuyau d’acheminement du fil entre le guide-fil et le mécanisme.

Pour limiter les efforts de frottement et pallier aux variations dimensionnelles des matériaux, il doit y avoir du jeu dans le tube. Quand le fil est poussé, du fait de la résistance d’extrusion, il va se plaquer sur la paroi extérieure de la courbure du tube. Quand le fil va être tiré, il va se plaquer sur la paroi intérieure. L’écart aléatoire généré est difficile à maitriser et peut dégrader l’impression. De plus, la poussée du fil dans le tuyau engendre un effet ressort, ce qui risque de générer des extrusions excessives dans certaines zones. De la matière peut être ainsi libérée par détente, par exemple lors de déplacements, ou sur les bords extérieurs des pièces qui opposent moins de résistance.

L’inconvénient de ce dispositif est accentué avec l’utilisation de matériaux souples, qui peuvent en plus, générer des ondulations du fil dans l’espace disponible dans le tube. Celles-ci vont être d’autant plus nombreuses que le fil est souple et que le jeu est important, ce qui va aussi freiner considérablement le fil, même avec un tube en téflon (imaginez pousser un élastique dans un tuyau partiellement bouché).

 

Comme pour bien des aspects techniques concernant les imprimantes 3D, il convient, en fonction de votre budget, de bien définir ce que vous attendez de votre machine avant de la fabriquer, ou de l’acheter. J’espère que ces quelques lignes vous y aideront un peu.

Ce petit tour d’horizon sur les systèmes d’entrainement s’achève ici.

 

Bonne impression à tous !



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