Quel diamètre de fil utiliser?

Quel diamètre de fil choisir pour mon imprimante? 1,75 ou 3mm? C'est une question que bon nombre d’entre-nous s'est posé avant l’achat d’une imprimante ou d’équiper sa machine.

Pour tenter d’y répondre, je vous propose les quelques éléments de comparaison suivants:

Précision du volume d’extrusion
Pour un fil entrainé par pincement entre la poulie crantée et le presseur, l’avance linéaire pour un pas moteur donné, est identique pour le Ø1,75 et le Ø3mm. Par contre, quand on compare le volume extrudé, il n’en va pas de même.
Si l'on calcule le volume pour une avance de 1mm, nous avons:
Pour le Ø1,75: (1,75 / 2)^2 x π x 1 = 2,41mm3
Pour le Ø3: (3 / 2)^2 x π x 1 = 7,07 mm3

Cela signifie que le volume extrudé est presque 3 fois supérieur quand on utilise le fil Ø3 par rapport au Ø1,75. A pas égal, la précision du dépôt est donc 3 fois supérieure avec le Ø1,75 mm.
Cela signifie aussi qu’un écart d’étalonnage ou un léger patinage du fil aura 3 fois plus d’impact avec le Ø3.
La précision du diamètre donnée par les fournisseurs de matières est généralement la même pour les 2 diamètres ≈ +/- 0,05 mm (hors bulles pouvant se trouver à l’intérieur)
Si l'on compare les variations de volumes engendrées pour 1mm pour cet intervalle de tolérance, nous avons:


Avec l'intervalle de tolérance pour Ø1,75
Volume maxi Ø 1,75 : (1,80 / 2)^2 x π x 1 = 2,54mm3
Volume mini Ø 1,75 : (1,70 / 2)^2 x π x 1 = 2,27mm3
La variation du volume du fil est donc de: 2,54 - 2,27 = 0,27mm3

Avec l'intervalle de tolérance pour Ø3
Volume maxi Ø 3 : (3,05 / 2)^2 x π x 1 = 7,31mm3
Volume mini Ø 3 : (2,95 / 2)^2 x π x 1 = 6,83mm3
La variation du volume du fil est donc de: 7,31 - 6,83 = 0,48mm3

 

On constate, à entraînement identique, que le dépôt est plus précis avec le Ø1,75 qu’avec le Ø3 quand les diamètres sont proches du nominal. Par contre, la tendance peut s’inverser si la section atteint les seuils limites de tolérances, car à volume égal le Ø3 est plus restrictif.


Pression d’extrusion
Comme pour l’avance, la force exercée sur un fil de 1,75 ou 3mm est identique (à mécanisme égal). En effet, la poussée se fait sur la surface en contact avec la poulie d’entrainement, ce qui positionne le vecteur de force par rapport à l’axe d’entrainement du moteur à la même distance pour les 2 formats.
Si on reprend l’exemple déjà utilisé dans l’article sur l’adjonction de téflon dans les guides-fil, un moteur qui développe un couple de 35N/cm avec une poulie d’entrainement de Ø7,4mm donne une possibilité de pression théorique de:

Pour le Ø1,75

Force appliquée au fil
7,4/2 = 3,7mm => soit 0,37cm
35 / 0,37 = 94,6N
Surface de pression
(Le diamètre du fil une fois expansé contre la paroi du guide-fil = 2mm)
(Ø2 / 2)^2 x π = 3,14mm2
Pression
94,6 / 3,14 = 30,12 N/mm2
=> soit ≈ 301 bars
(1 bar = 10 N/cm2 )

Pour le Ø3

Force appliquée au fil
7,4/2 = 3,7mm => soit 0,37cm
35 / 0,37 = 94,6N
Surface de pression
(Le diamètre du fil une fois expansé contre la paroi du guide-fil = 3,2mm)
(Ø3,2 / 2)^2 x π = 8,04mm2
Pression
94,6 / 8,04 = 11,77 N/mm2
=> soit ≈ 118 bars

On constate une perte importante de pression (≈ 3x) pour le Ø3 comparée au Ø1,75.
Cela implique, pour le Ø3, d'utiliser une démultiplication en intercalant un jeu d’engrenages dont le rapport va augmenter la poussée. Cette opération a aussi l'avantage de compenser la précision théorique de l’avance proportionnellement à ce rapport. Je parle de précision théorique, car les variations géométriques des engrenages, leurs défauts de concentricité et leurs jeux, vont dégrader d’autant la précision (surtout si les pièces sont réalisées en impression).

 

Il faut noter aussi que le poids d'un système d’engrenage additionnel induit une inertie supplémentaire pouvant impacter la vitesse de déplacement des axes.

 

 

Capacité d'entrainement

Si l’on compare la surface de contact disponible pour l’entrainement de chacune des matières, on constate qu’elle peut être plus importante sur le Ø3 que sur le Ø1,75, ce qui améliore l’adhérence. Par contre, l’effort d'extrusion supplémentaire nécessaire au Ø3 pour obtenir la même pression que le Ø1,75 annule cet avantage.

 

Rigidité

Dans le cas d’un système d’entrainement déporté sur la structure de l’imprimante (bowden), la rigidité du Ø3 offre un léger avantage comparé au Ø1,75. Étant moins flexible, lors de la poussée, il va moins « serpenter » dans le tuyau en téflon qui l’achemine à la tête. L'importance de l’effet dépend en grande partie du jeu existant entre ces deux éléments. Un jeu important réduit la précision, mais un jeu faible augmente les frottements et donc la poussée nécessaire.
(D'une manière générale, la précision d’extrusion est moins bonne en entrainement déporté, qu’en entraînement direct sur la tête, à cause de ces effets).

La rigidité du Ø3 peut apporter un petit avantage pour les matériaux flexibles, à condition d'utiliser un entrainement direct. L'entrainement déporté "par poussée" dans un long tuyau est à proscrire pour les deux diamètres.

 

 

Étanchéité
Éviter les fuites de matières fondues pouvant apparaître sous la pression est primordial. Dans ce domaine, les guides-fil dotés d’un gainage en Téflon y sont particulièrement sensibles, car ils disposent d’un plan de joint réduit par l’insertion du tube.
Alors que le guide-fil pour matières de Ø1,75 offre une zone suffisante pour garantir une bonne surface de contact (1mm), celui pour Ø3 ne dispose que d’une surface très réduite (au mieux 0,5mm). Étant donné que les chanfreins sont au moins équivalents au filet (0,5mm), il en résulte que la collerette du Ø3 ne fait généralement que 0,3 à 0,4mm dans le meilleur des cas, d’autant que le chanfrein des buses a tendance à être plus important (exemple avec un chanfrein de 0,8 dans le schéma suivant).

Il faut noter aussi qu’un taraudage ne garantit pas un centrage précis du fait de son jeu fonctionnel. Des défauts d’alignement allant de 0,1 à 0,2mm sont fréquents.
Pour ces raisons, les guides-fil avec Téflon pour Ø3 ont un risque plus important de voir apparaître des fuites que ceux pour Ø1,75, d’autant que la finesse de leur zone d’étanchéité la rend plus fragile.

 

Fusibilité
Plus l'épaisseur d'une matière est importante, et plus il faut concentrer d'énergie pour la faire fondre. La réactivité thermique est donc légèrement supérieure avec le fil de Ø1,75.

 

 

Coût d'achat

Le prix de la matière étant identique dans les deux formats, celui-ci n'a donc pas d'influence sur le choix. L'offre est toutefois légèrement plus fournie pour le Ø1,75.

 


Pour ces raisons, et pour conclure, je conseillerais donc de privilégier le Ø1,75 qui, à mon sens, est moins compliqué à mettre en œuvre et offre une meilleure maitrise de la matière déposée.



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Commentaires : 5
  • #1

    gr5org (dimanche, 04 décembre 2016 14:54)

    Cet article est super. Je m'excuse pour google translate. Je suis en désaccord avec votre affirmation que le chargeur pousse 1,75 mm tout aussi dur que 3 mm. Il ya moins de surface pour que l'alimentateur puisse pousser. La zone de contact poussée est un cylindre. Le diamètre est plus petit et la hauteur du cylindre est plus petite parce que vous ne pouvez pas creuser dans le filament un beaucoup. Aussi, vous pouvez avoir un conducteur cannelé ou un conducteur gnurled qui creuse dans le 3mm plus loin sans détruire le filament. C'est donc une 3e amélioration linéaire. Lorsque vous multipliez les 3 améliorations, il est plus que l'amélioration linéaire. Il peut être en cubes. (3 / 1,75) ^ 3

  • #2

    Genapart (mardi, 06 décembre 2016 10:34)

    Je vous remercie de votre intérêt pour cet article.
    Si je comprends bien le sujet de votre désaccord, nous sommes en fin de compte d’accord: le fil de Ø3 offre plus de surface d’entraînement et donc permet de transmettre plus d’effort que le Ø1,75.
    Par contre, je considère qu’au final il n’y a pas de bénéfice réel, car le système d’entraînement doit transmettre 3 fois plus d’efforts par cette surface pour obtenir la même pression.

  • #3

    Nossolov (lundi, 13 mars 2017 14:10)

    Félicitation pour les articles : c'est un travail très constructif.
    J'aurais quelques remarques sur ce comparatif.
    Je ne pense pas que l'imprécision sur le diamètre des fils soit tant que ça en faveur du 1.75. A mon sens, ce qui est important n'est pas l'erreur de volume par unité de longueur déposée, mais l'erreur relative au volume total à déposer. Pour le 1.75mm, on est a 0.27 d'erreur pour 2.41 de déposé, soit un peu plus de 10%. Sur le 3mm, on est a 0.48 pour 7.07 de déposé, soit un peu moins de 7%. Pour déposer 7.07mm3 avec du fil de 1.75mm de diamètre, il faut faire presque 3 passages, donc 3 fois l'erreur.
    Je suis d'accord avec votre calcul de pression théorique favorable au fil de 1.75. Vu la conception des systèmes sur le plan de l'étanchéité, je ne pense cependant pas qu'on atteigne de telles valeurs en pratique. Les valeurs pratiques ne sont même peut être pas si éloignées que ça, qu'on soit en 1.75 ou en 3mm. Du coup, la capacité d'entrainement serait-elle plus en faveur du 3mm ? Pas évident, et surtout très liée à la méthode d'entrainement.
    Sans y avoir réfléchi plus que ça, il me semble que le fil de 3mm est plus adapté aux impressions à vitesse élevée demandant un gros débit de matière, mais ça reste à prouver.
    Par contre, les impressions en 1.75 sont souvent plus belles qu'avec du 3mm, donc il y a bien un avantage en faveur du plus petit.
    Une question au passage : les trous sont toujours réalisés plus petits que demandés. La perte de diamètre varie entre 0.3 et 0.6mm en général avec du fil de 3mm. Est ce plus ou moins important avec du fil de 1.75mm ?

  • #4

    Genapart (jeudi, 16 mars 2017 11:45)

    Vous avez raison, l’intervalle de tolérance à volume égale peut avantager le Ø3, j’ai donc modifié la conclusion de cette section.

    Concernant la pression, à mécanisme d’entraînement similaire, l’avantage est en faveur du Ø1,75 car la poussée disponible est identique, alors que les surfaces sur laquelle elle s’exerce sont différentes.
    Le seuil de pression réellement exercé dépend, entre autres, de la viscosité de la matière, du Ø de buse, et de la hauteur de couche (des éléments qui s’opposent à l’extrusion). Mais le Ø1,75 sera moins sensible à ces contraintes et limitera aussi le seuil d’apparition d’un colmatage.

    La performance du débit dépend essentiellement de la performance de la tête et de son bloc de chauffe. Moins il y a de déperditions (comme la nécessaire dissipation de la chaleur du guide-fil) et plus la puissance est consacrée à la fusion de la matière. Par contre, il est normalement moins énergivore de fondre et de maintenir en température un volume de matière réduit.
    Pour des vitesses d’extrusion ponctuellement rapides, le volume de fusion du Ø3 peut éventuellement servir de réserve, mais pour un débit constant, je pense que le Ø1,75, à conception de tête équivalente, est très sensiblement plus performant.

    En plus de l’utilisation d’un éventuel mécanisme de démultiplication, ce qui altère la précision du Ø3, mais qui justifie aussi son existence, c’est l’entraînement déporté. Lors d’une poussée ou d’une rétractation, il y a toujours un retard occasionné par la nécessité pour le fil de se plaquer sur la paroi du tube d’acheminement avant de transmettre le mouvement. Plus le tube est large, est plus les retards sont importants, mais plus il est réduit, plus il occasionne des frottements qui absorbent une partie de l’effort de poussée.

    La diminution des diamètres imprimés est un sujet aux multiples causes, mais je ne pense pas qu’il y est un avantage spécifique à utiliser l’un ou l’autre des Ø de fil.
    Les causes principales du phénomène sont :
    Mauvaise maîtrise du débit (multiples causes).
    Mauvais étalonnage des déplacements.
    Absorption de mouvements: Quelle que soit la technologie employée, il y a toujours un retard dans une inversion de direction (rattrapage de jeux, tension de courroie, déformation du guidage par l’inertie…). Les diamètres en sont donc proportionnellement réduits.
    Cette déformation est un des critères pour mesurer la qualité de conception et de réglage d’une imprimante.

  • #5

    Nossolov (jeudi, 16 mars 2017 18:32)

    Bonne et fine analyse, je pense, qui pourrait bien pousser au passage en 1,75 en entraînement direct non déporté.