Conception d'une imprimante 3D

Quand on débute dans l'impression 3D, il n'y a pas réellement de contrainte dans le choix d'une imprimante 3D. Il suffit qu'elle soit fonctionnelle et ça fera l'affaire, pas la peine de dépenser des cents et des milles dans une machine sans savoir si ça nous plaira. Mais avec la pratique et l'expérience on cherche à aller toujours plus loin, plus vite, faire des choses plus précises etc ... Du coup l'imprimante de départ ne suffit plus. C'est pour ces différentes raisons que je me suis lancé dans la conception d'une imprimante 3D qui répondrait à mes besoins.

Cahier des charges

Avant de se lancer tête baisser dans la conception, il faut déjà savoir ce que l'on veut, ce que l'on se fixe comme but à atteindre. Pour ma part je possède une imprimante 3D Prusa. Elle fait ce que je lui demande, mais sont plateau est quand même limité (20x20cm), sa structure n'est pas extrêmement rigide ce qui limite les accélérations et la vitesse, elle n'a pas la possibilité d'imprimer en plusieurs couleurs/matériaux. Même si dans l'absolue ces points là n'empêche pas l'impression ils deviennent gênants quand on souhaite faire des choses complexes.

Listes des caractéristiques

L'imprimante que je veux concevoir va donc devoir surpasser mon imprimante actuelle sur les points précédents :

Le plateau

Il devra offrir une surface bien plus importante, concernant le patch chauffant on peut en trouver sur ce site la taille maximale est de 1000x1000mm !!!

Pour être le plus plan possible, il faut que ce plateau métallique soit recouvert d'une vitre. Cependant le verre standard supporte très mal les variations de températures. Il va falloir tester si la température est suffisamment homogène et si le verre supporte. Dans le cas contraire il est possible d'utiliser des plaques en borosilicate, qui est un verre se dilatant très peu et donc supportant bien mieux les différences de températures. On peut trouver des plaques jusqu'à 600x600mm sur ce site.

Il faut également voir s'il est possible de mettre la main sur une plaque de cuisson vitrocéramique peut être que cette surface est suffisamment plate.

La structure

Pour pouvoir imprimer vite, il faut que la tête d'impression puisse atteindre des accélérations élevées. Or pour y arriver il faut que la structure de l'imprimante puisse supporter les forces nécessaires à appliquer pour fournir cette accélération. D'après mes recherches une structure en cube est bien résistante à ces contraintes là.

Pour fabriquer cette structure en cube on peut utiliser des V-Slot. Ces profilés d'aluminium ont des caractéristiques intéressantes. Ils peuvent facilement être assemblés en cube avec des cube de liaison, permettent de faire coulisser un chariot et son suffisamment rigide pour encaisser les forces.

Core XY

Même si la structure peut encaisser les forces liées à l'accélération de la tête d'impression, il faut tout de même penser à diminuer autant que possible la masse qui se déplace. Plus la masse à déplacer sera petite, plus les forces nécessaires seront également petites. Il existe plusieurs façons d'assembler des axes XY, cependant la méthode Core XY, permet de placer les moteurs sur le bâti et ainsi de limiter la masse en mouvement. En voici un schéma théorique.

L'électronique

Si déjà on vise la performance, alors autant utiliser quelque chose de plus costaud qu'une carte Arduino. La plateforme Duet3D, elle est capable de gérer 2 extrudeurs, possède une connexion Ethernet et une interface web.

Pour continuer sur l'électronique il faut également penser aux capteurs de fin de course. Voulant utiliser une surface en verre il n'est pas conseillé d'utiliser un capteur inductif, car celui ci n'aura peut être pas la portée suffisante pour détecter la plaque métallique sous la surface en verre et ne nous donnera aucune information sur cette dernière. Il faut donc un capteur capable de fonctionner sur n'importe quelle surface. Le BLTouch fonctionne sur toutes les surfaces et possède une bonne précision.

Récapitulatif des pièces détachées

• Plaque métallique entre 450x450mm et 600x600mm.
• Plaque de verre ou Borosilicate, voire vielle plaque vitrocéramique.
• V-Slot 20x20
• V-Slot 20x40
• cube de liaison
• petit chariot
• chariot
• CBeam pour l'axe Z, ou bien sur ce site ou celui là
• Plaque d'assemblage
• Équerre d'assemblage
• Poulie crantée
• Poulie lisse
• Duet3D
• BLTouch

Étude des contraintes de la méthode Core XY

Dans cet article, on peut voir deux manières de déplacer un chariot sur deux axes. La méthode H-Bot et la méthode CoreXY. À première vu le système H-Bot est plus simple, il n'y a qu'une seule courroie et donc pas de croisement. Cependant lorsque le chariot se déplace sur l'axe X, si on fait le bilan des forces, on peut s’apercevoir qu'un couple de force apparaît. Ce qui peut engendrer une torsion dans la structure visible dans cette vidéo. Très légère torsion, mais en faisant attention on arrive à la voir sur la vidéo, surtout quand le chariot se déplace rapidement.

Pour éviter ça, la méthode CoreXY utilise deux courroies. Les poulies qui permettent d'actionner le chariot selon l'axe X vont alors générer des tensions contraires selon l'axe Y. Il est donc nécessaire que ces poulies soient bien alignées selon cet axe de manière à ce que les forces se compensent.

Le seul vrai problème qui persiste est le fait que les courroies doivent se croiser. Ce qui signifie que les poulies ne pourront pas toutes être dans le même plan.

Lorsqu'on souhaite obtenir une certaine précision il faut prendre en compte certains détails auxquels on aurait pas songé au départ. Comme la déflexion dû au poids des éléments. Voir la page calculs de déflexion