Imprimante 3D HP

Baccalauréat S-SI 2011

Présentation du principe d'impression 3D

Généralités sur le prototypage

La mondialisation des marchés associée à une concurrence de plus en plus vive a obligé les industriels à optimiser leurs temps de recherche, de conception et de fabrication des produits.

C’est dans ce contexte que le prototypage rapide prend toute son importance : il permet aux entreprises de disposer d’un outil matérialisant rapidement les produits en cours de développement afin de détecter au plus tôt les erreurs de conception, de tester et de faire valider par l’ensemble des intervenants les différentes solutions techniques retenues.

Principe général

1. Le produit (pièce ou ensemble de pièces) est modélisé à l’aide d’un modeleur volumique.
2. « L’impression 3D » du modèle est lancée (remarque : la durée de la production dépend du nombre de pièces à réaliser, de la quantité de matière utilisée, de la complexité des formes).
3. La pièce prototypée est retirée de l’enceinte. Suivant les techniques de prototypage, une étape de « nettoyage » de la pièce est obligatoire avant son utilisation.

Le prototypage rapide par dépôt de fil FDM (Fused Deposition Modeling)

Cette technique consiste à faire fondre un fil de matière (généralement du plastique ABS) traversant une buse chauffée à haute température. Le fil (de diamètre de l’ordre de 0,25 mm) alors en fusion est déposé et vient se coller sur ce qui a été déposé au préalable. La pièce est réalisée couche par couche. Le FDM est un brevet mondial déposé par STRATASYS®.

La réalisation du prototype nécessite deux matériaux différents :

• une matière « modèle » (thermoplastique ABS) constituant la pièce elle-même ;
• une matière « support » mise en place dans des zones bien précises lorsqu’une pièce possède des volumes en « porte-à-faux ». Cette matière « support » est soluble dans un bain de soude.

Ces deux matières sont chacune stockées sous la forme d’un fil enroulé et logé dans une cassette.

Présentation de l’imprimante 3D UPRINT

Cette imprimante est distribuée en France par la société CADVISION.

Chaînes d'information et d'énergie

Représentation simplifiée de l'espace de production

Pour déposer le fil sur le plateau, trois mouvements sont nécessaires. Ils sont indiqués sur la représentation simplifiée en perspective ci-dessous. Une translation verticale du plateau suivant la direction de l'axe z et deux translations horizontales de la tête d’impression suivant les directions des axes x et y.

Tête d'impression

Les trois configurations de la tête d'impression

La tête d’impression possède trois configurations de fonctionnement.

La configuration « initiale » s’active à la mise sous tension de la machine. La barre de commande 10 est centrée par rapport au coulisseau 1. Du fait de l’existence d’un jeu entre les galets, le fil modèle 12 et le fil support 11 ne peuvent pas être déplacés par le galet d’entraînement 5 dans cette configuration.

Pour passer en configuration « dépose de fil support », la tête d’impression se déplace jusqu’à une butée située au fond et à gauche de l’espace de travail (cf. figure ci-contre).

La barre de commande 10 prend appui sur celle-ci, et coulisse par rapport au coulisseau 1. Le balancier 2 pivote grâce au galet de rampe 9 qui se déplace dans la rainure de la barre de commande 10. Cette rotation permet, premièrement, au galet presseur gauche 4 de plaquer le fil support 11 contre le galet d’entraînement 5 et, deuxièmement, d’étirer le ressort de traction 6 accroché aux deux leviers 3 et 7. L’effort presseur ainsi exercé sur le fil et la mise en rotation du galet d’entraînement 5 grâce au motoréducteur 15 et 16 provoquent son déplacement vers le bas. Il passe alors dans une buse 19 chauffée par une résistance chauffante 18 ; il en ressort fondu et prêt à être déposé.

Pour passer en configuration « dépose de fil modèle », la tête d’impression se déplace jusqu’à la butée située au fond et à droite de l’espace de travail. La barre de commande 10 y prend appui permettant sa translation dans l’autre sens par rapport au coulisseau 1. Le système se retrouve dans une position symétriquement similaire à la configuration « dépose fil support ». Le galet presseur droit 8 plaque le fil modèle 12 contre le galet d’entraînement. La tête d’impression est prête à déposer du fil modèle.

Le codeur 17 fournit des informations permettant de déterminer le volume de matière consommée.

Le document réponse DR1 représente le diagramme des exigences partiel.

Problématique

Les problématiques liées à l’utilisation et au fonctionnement sont partiellement décrites ci-dessous.

Le constructeur envisage de commercialiser une nouvelle version du produit prenant en compte les souhaits exprimés par les actuels utilisateurs. Ceux-ci sont globalement satisfaits. Ils constatent néanmoins quelques dysfonctionnements très occasionnels qui sont les suivants :

1. Le fil ne rentre pas dans la buse de la tête d’impression dû à un écrasement trop important du fil (le fil trop aplati ne peut plus entrer dans la buse).
2. Le fil se casse dans la cassette de stockage. Cette rupture n’est pas détectée par l’imprimante qui continue son cycle malgré l’absence du fil.

Cette étude porte sur des propositions de solutions pour :

• assurer l’effort presseur (résolution du dysfonctionnement 1) .
• détecter et gérer la casse du fil (résolution du dysfonctionnement 2).