Comment fonctionnent les imprimantes 3D

Au cours des dernières années, nous avons vu un large éventail d’imprimantes 3D, telles que la Lulzbot Mini, mises à la disposition des consommateurs. Ce qui est étonnant, c’est qu’en réalité, la plupart des imprimantes 3D grand public sont des animaux étonnamment simples et qu’ils n’en ont pas autant que ce qu’on pourrait penser..

En fait, une imprimante 3D de base n’est guère plus qu’un robot stationnaire glorifié doté d’un cerveau fabriqué à partir de la technologie des microcontrôleurs 8 bits à bas coût, existant depuis environ 20 ans..

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Le cerveau d'Arduino

En 2005, bien avant Raspberry Pi, quelques professeurs d’ingénierie italiens avaient eu l’idée de créer un petit tableau informatique économique et facile à utiliser, permettant à quiconque de combiner l’informatique numérique avec des composants du monde réel tels que des moteurs, des capteurs, des éclairages. et commutateurs. Il s'appelle 'Arduino', il a pris d'assaut le monde et il est basé sur une technologie de microcontrôleur créée en 1997..

Vous connaissez sans doute les «microprocesseurs» qui alimentent votre PC, votre téléphone ou votre tablette - mais un microcontrôleur est différent. Alors qu'un microprocesseur a besoin d'une montagne de composants supplémentaires pour gérer la mémoire, le stockage et la communication avec le monde extérieur, les microcontrôleurs contiennent de petites quantités de tout cela directement dans la puce..

De plus, grâce à une technologie intelligente appelée «conversion analogique-numérique», ils peuvent également écouter le monde extérieur. Ils sont utilisés dans une multitude d'applications à fonction unique ou "embarquées", y compris les drones, comme nous l'avons vu le mois dernier..

La grande majorité des imprimantes 3D grand public ont un microcontrôleur Arduino Mega-class à leur cœur et vous trouverez des clones de cartes Arduino Mega sur eBay qui sont relativement bon marché..

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Bout chaud

L’extrémité pointue d’une imprimante 3D est en réalité l’extrudeuse et combine un entraînement par moteur pour pousser le filament à une vitesse réglable par l'utilisateur, avec un élément chauffant transformant le filament en plastique en une substance molle fondue au ajutage.

Généralement en laiton, l'extrémité chaude comporte un petit réservoir dans lequel le filament est chauffé via un minuscule appareil de chauffage (un composant électronique appelé "résistance") pouvant aller jusqu'à 250 (482).

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Moteurs pas à pas

Mais la clé de l’impression 3D est de manœuvrer cette buse de filament hot-end au bon endroit au bon moment, en fournissant le filament en plastique fondu pour construire l’objet 3D couche par couche..

Le travail de manœuvre incombe à un type spécial de moteur appelé «moteur pas à pas». Les moteurs ordinaires sont de simples gadgets: vous appliquez une tension électrique à leurs bornes et elles tournent.

Dans certains cas, vous pouvez permuter les fils (appelé «inverser la polarité») et faire tourner le moteur dans le sens opposé. Cependant, les moteurs pas à pas sont complètement différents - en utilisant plusieurs électroaimants, un moteur pas à pas permet une rotation par pas précis, jusqu'à 200 pas par tour.

Les types les plus couramment utilisés dans l'industrie sont les moteurs NEMA (National Electrical Manufacturers Association), dont les dimensions physiques sont standardisées, ce qui facilite leur utilisation..

Pour créer une imprimante 3D, vous avez besoin d’au moins quatre moteurs pas à pas - un pour chacun des trois axes de mouvement et un pour contrôler le flux de filament. Cependant, la plupart des conceptions en utiliseront cinq, deux pour l'axe vertical ou l'axe Z.

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RAMPS

Le problème avec la carte Arduino Mega, cependant, est qu’elle n’a pas assez de puissance électrique pour piloter un moteur pas à pas NEMA-17; elle est donc couramment utilisée avec une série de puces de commande de moteur pas à pas qui fournissent suffisamment de puissance pour alimenter le moteur. moteurs.

La communauté de l’impression 3D a créé une carte additionnelle spéciale ou un «bouclier» pour Arduino Mega, qui intègre ces puces de pilote appelées RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield). Il s'agit d'une carte de puissance d'imprimante 3D polyvalente conçue pour gérer un large éventail de conceptions d'imprimantes 3D..

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Micrologiciel

Les imprimantes 3D grand public se connectent à un PC (ou à un téléphone, même) via USB. Il ne s'agit donc en réalité que d'un périphérique USB..

Mais pour que cette collection de bits matériels puisse faire quoi que ce soit, le microcontrôleur Arduino Mega doit être doté d'un micrologiciel transformant les instructions d'impression du PC en un mouvement réel et en un filament fluide issu des autres composants de l'imprimante. Marlin est l'un des firmwares les plus populaires et peut être chargé sur un Arduino Mega sans trop de problèmes.

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Logiciel

Du côté du PC, vous avez besoin d’un logiciel pour transformer les conceptions 3D en objets physiques. Des logiciels tels que Repetier-Host prennent les fichiers de stéréolithographie (STL) que vous téléchargez de Thingiverse, les divisent en rangées et alimentent tour à tour la carte Arduino Mega à l’intérieur de l’imprimante 3D..

Repetier-Host est gratuit et disponible pour Windows, Mac OS X et Linux. Vous pouvez également imprimer directement depuis votre smartphone avec GCodePrintr sur Google Play..

Parmi les autres solutions possibles, citons le nouvel hôte MatterControl, également pour Windows, Mac OSX et Linux, ainsi que Cura de Ultimaker..

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Innovations dans l'impression 3D

Il n’est pas surprenant que les gouvernements se tournent vers la robotique et l’impression 3D en tant que moteurs de l’économie de demain - pour reprendre des termes bien rusés, ce sont des "technologies perturbatrices", des technologies qui changent notre façon de faire les choses..

Néanmoins, il serait juste de dire que l’impression 3D n’a pas suffisamment attiré l’homme moyen pour aller en acheter un. Mais au cours des derniers mois, l’impression 3D a fait d’énormes progrès, de l’aéronautique à la santé, en passant par d’impressionnantes victoires locales..

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Moteur à réaction imprimé en 3D

Les pays s'intéressent de plus en plus aux technologies utilisées pour l’impression 3D. Par exemple, à la fin du mois de mars de cette année, l’Australie s’est présentée comme un centre d’innovation en impression 3D lorsque la Monash University, en association avec le CSIRO et la Deakin University, a dévoilé le premier moteur à réaction imprimé en 3D au salon Avalon International Airshow..

L’équipe, dirigée par le professeur Xinhua Wu de l’Université Monash, a reçu un moteur à turbine à gaz en état de fonctionnement, utilisé comme source d’alimentation auxiliaire dans les avions «Falcon 20» du constructeur aérospatial français Microturbo..

L’équipe Monash a démonté le moteur, scanné chaque composant en 3D et a utilisé les dernières astuces de son sac pour en imprimer deux autres. Monash a depuis créé une nouvelle société, Amaero Engineering, pour commercialiser la technologie et donner aux entreprises locales une chance de bénéficier.

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Remplacement osseux

Mais l’impression de moteurs à réaction n’est pas la seule chose à laquelle l’Australie semble très bonne. La faculté d'ingénierie de l'Université de Sydney a commencé à tester des implants osseux imprimés en 3D chez des patients souffrant d'un traumatisme crânien grave - avec un succès considérable.

La nouvelle technique, appelée «cranioplastie à modèles rapides», a été mise au point conjointement avec des neurochirurgiens de l'hôpital de Liverpool, en Nouvelle-Galles du Sud. Il utilise les scanners radiographiques précédents du patient pour créer un implant stérile et parfait, imprimé à partir d'un ciment osseux à base de polymère..

Les avantages pour les patients et les chirurgiens sont que ce n'est pas seulement moins cher, mais aussi plus fort, plus rapide à fabriquer et plus sûr pour les patients que les méthodes précédentes.

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Impression 3D ultra rapide

L'une des raisons probables du manque d'intérêt apparent des consommateurs pour l'impression 3D est la lenteur des vitesses d'impression de la technologie FDM (modélisation du dépôt fondu) de qualité grand public. Cependant, au cours des derniers mois, l’impression 3D en stéréolithographie (SLA) a marqué un tournant décisif..

Carbon3D, basé en Californie, a développé une nouvelle technologie appelée CLIP (production d’interface liquide continue) qui prétend offrir des vitesses d’impression entre 25 et 100 fois plus rapides que la technologie SLA actuelle..

La stéréolithographie utilise la lumière ultraviolette (UV) pour durcir les résines à base de polymères en objets 3D, mais si un objet particulier utilisant la technologie SLA traditionnelle peut prendre près de 12 heures à être imprimé, le même travail peut être effectué avec CLIP en moins de sept minutes. amélioration étonnante.

Et Carbon3D parle d’une impression de qualité commerciale à cette vitesse, ce qui ouvrira probablement de nouvelles opportunités dans le prototypage et les petites industries..

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Impression de circuits électriques

L'un des grands objectifs de demain tech est de pouvoir se passer de cartes de circuits électroniques relativement onéreuses et contraignantes et de circuits électriques à impression directe utilisant des techniques d'impression 3D. Auparavant, la conductivité du filament était assez basse, 10 000 ohms par centimètre, trop basse pour des capteurs autres que de très faible puissance.

Aujourd'hui, la start-up américaine Functionalize s'est associée au fabricant de filaments ProtoParadigm pour créer un nouveau filament appelé «F-Electric» avec une conductivité bien améliorée de 0,47 ohm par centimètre..

Malgré tout, avec les circuits imprimés utilisant du cuivre presque pur ayant une conductivité de 0,00001 ohms par centimètre, le filament conducteur a encore du chemin à parcourir pour atteindre ces chiffres. Mais les améliorations apportées ces derniers mois suggèrent que nous n’avons pas encore atteint la fin..

F-Electric, qui coûte 142 dollars US pour environ un demi-kilogramme, n'est pas tout à fait bon marché, mais avec une conductivité relativement raisonnable, de nombreuses applications sont possibles, en particulier à mesure que la vitesse d'impression augmente. Adrian Bowyer, l'inventeur du projet d'imprimante 3D ouverte RepRap, prévoit d'utiliser ce matériau pour imprimer entièrement en 3D un robot, des circuits et tout le style Arduino..

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Imprimantes 3D économiques

Pendant ce temps, des vagues d'imprimantes 3D grand public continuent à arriver. Vous vous demandez probablement pourquoi j'ai besoin d'une imprimante 3D, mais vous pourriez bientôt en utiliser une à des fins d'étude, de travail ou tout simplement être le destinataire des résultats, via des prothèses médicales ou lors de vos déplacements à travers le monde..

L’un des derniers modèles grand public, qui devrait être disponible en septembre de cette année, est la série Genesis de X3D Machines. Dès le début de la vie, comme le semblent presque toutes les imprimantes 3D - sur Kickstarter -, les lève-tôt pourraient choisir l’élégant Genesis Uno à une tête pour 199 $ US plus frais de port. Avec un volume de construction correct de 9 x 9 x 12 pouces, un écran LCD et un châssis en aluminium, la Genesis Uno semble pouvoir essuyer le sol avec des imprimantes à partir de 1 000 $ actuellement disponibles..

Et ce n’est même pas le moins cher: le nouveau Tiko est un autre ancien de Kickstarter, doté du populaire concept «delta» à trois voitures et d’un prix de promesse de 179 $ US. Avec un cadre monocoque et une conception fermée, Tiko traitera un large éventail de filaments, notamment de PLA, d’ABS et de Nylon. Au moment de la rédaction de cet article, il avait maintenant plus de 1,2 million de dollars US en garantie.

Enfin, Flux, qui a reçu plus de 1,6 million de dollars de soutien de Kickstarter et combine une imprimante 3D de style delta avec un scanner 3D intégré et une gravure au laser. Les lève-tôt l'ont emporté pour seulement 599 $ US plus frais d'expédition.

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Transformer une imprimante 2D en 3D?

Mais une idée qui pourrait faire tourner les têtes est Printder, qui prétend transformer une imprimante 2D ordinaire de moins de 100 dollars en une imprimante 3D..

Comme toute imprimante 2D, elle fonctionne à l'encre et au papier, mais la manière dont elle crée des objets 3D semble assez astucieuse. Selon le site Web, chaque feuille de papier spécialisé devient une couche 3D, l’encre imprimée jouant le rôle de colle. Une fois que vous avez imprimé toutes les couches de page qui constituent votre objet, prenez le bac de sortie et laissez-le au four pendant 15 minutes pour permettre à l'encre de fusionner les pages (il n'y a pas d'odeur, dit-on). Après l'avoir laissé refroidir, vous plongez le tout dans de l'eau, le surplus de papier se dissout et vous vous retrouvez avec votre objet 3D.

Avec une imprimante à jet d'encre A4, vous disposez d'une zone de construction de format A4 (30 x 21 centimètres) pouvant atteindre une hauteur de 15 pouces..

Cela a l'air d'une simplicité ingénieuse, mais il reste encore de nombreuses inconnues au moment de la rédaction, telles que les imprimantes avec lesquelles il va travailler, le coût de l'encre et le coût du papier spécial dunk and disparaître. Nous nous demandons également comment le cycle de travail de la plupart des imprimantes à budget va faire face à la charge de travail. Pourtant, nous sommes intrigués par celui-ci, nous allons donc garder un œil dessus.

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