FDM - Fabrication par dépôt de filament fondu

L’impression 3D FDM est une méthode de fabrication additive brevetée en 1989 par Scott Crump, ingénieur en mécanique américain et fondateur de Stratasys. Cherchant un moyen plus rapide de créer des prototypes, Crump a commencé à expérimenter avec des plastiques semi-solides, en les faisant fondre manuellement par couches avec un pistolet à colle.

Scott Crump a appelé cette méthode « Fused Deposition Modeling » (FDM), signifiant : « Fabrication par dépôt de filament fondu ». Après avoir développé un logiciel de fabrication assistée par ordinateur (FAO) pour automatiser le processus, Crump a pu vendre ses premières imprimantes 3D pour environ 12 000 dollars. 

Il est important de noter que le sigle FDM est une marque déposée par Stratasys. Ainsi, d’autres entreprises fabriquant des imprimantes 3D à filament utilisent souvent le nom « Fused Filament Fabrication (FFF) », entre autres variations. Cet article emploie ces appellations de manière interchangeable. 

Quel que soit le terme employé, cette technologie d’extrusion de filament a connu un long parcours et est devenue le type d’impression 3D le plus courant au bureau et à domicile. Aujourd’hui, une multitude d’options d’imprimantes 3D FFF s’offrent aux budgets les plus modestes, même en deçà des 200 euros. Certaines entreprises ont utilisé les principes du FDM pour créer des « stylos » d’impression 3D, disponibles à moins de 100 euros et principalement destinés aux enfants.

L’impression 3D FDM est considérée comme un procédé d’extrusion de matériau. Du filament, déroulé petit à petit d’une bobine, alimente une extrudeuse. Celle-ci fait fondre le plastique et l’extrude à travers une buse fine. Les filaments ont généralement un diamètre de 1,75 mm ou 2,85 mm, et le diamètre standard des buses est de 0,4 mm. 

L’extrudeuse et la buse constituent la tête d’impression. Elle se déplace le long du plateau d’impression pour dessiner la première couche, puis se surélève légèrement pour dessiner chacune des suivantes. L’imprimante suit des instructions numériques provenant d’un fichier spécifique, souvent au format .GCODE. Ce fichier, en clair, contient une version « tranchée » d’un modèle 3D.

Chaque « tranche » correspond à une couche unique, avec une épaisseur standard de 0,1 mm. Plus l’objet est haut, plus il y aura de tranches, représentant des temps d’impression plus longs.
Lorsque la tête d’impression dépose le filament, le plastique fond sur la couche précédente puis durcit à l’aide de ventilateurs fixés sur la tête d’impression et/ou à l’intérieur de la chambre d’impression.

 

Alors que l’impression 3D FDM était, dans ses débuts, relativement compliquée à maîtriser, elle est désormais de plus en plus accessible. La normalisation de fonctionnalités comme la calibration assistée ou la sauvegarde automatique a permis de faciliter la vie des utilisateurs. De nombreuses autres avancées au niveau des logiciels et des matériaux ont également contribué au progrès de cette technologie abordable. Le FFF est dorénavant un outil largement répandu pour le prototypage rapide et la production en petites séries. 

L’impression 3D de filament présente cependant ses inconvénients. Les pièces imprimées par FDM sont anisotropes ; elles sont beaucoup plus résistantes dans une direction que dans l’autre. Leurs couches sont souvent discernables à l’œil nu, avec des finitions de surface rugueuses. Elles peuvent ainsi nécessiter des étapes de post-traitement telles que le ponçage, le polissage, le lissage à la vapeur, etc.

Le retrait des supports, autre étape de post-traitement, est également indispensable pour les pièces comportant au moins un porte-à-faux (« overhangs ») de plus de 45°. Toutefois, il existe des imprimantes 3D à double extrusion qui peuvent simultanément imprimer du filament plastique et du filament soluble servant de support. Le matériau de support soluble est facile à rincer et entraîne moins de besoins en finition de surface. 

Les pièces imprimées par FDM ont tendance à être moins précises et moins durables que celles fabriquées avec d’autres méthodes 3D comme le SLS (Selective Laser Sintering) ou le MJF (Multi-Jet Fusion). Toutefois, des innovations dans les matériaux et les méthodes d’impression (citons l’impression 3D à fibre de carbone continue), sont en train de changer la donne.

La grande majorité des imprimantes 3D FDM utilisent des bobines de filament thermoplastique comme consommable. Le matériau le plus courant et le plus facile à imprimer est le PLA, un thermoplastique biodégradable, rapide et économique, mais peu résistant et peu durable. On trouve également l’ABS, un plastique plus robuste, mais plus difficile à imprimer. Ce matériau est déjà présent dans de nombreux produits du quotidien, des claviers d’ordinateur aux Legos.

Le filament de nylon est devenu une alternative populaire au PLA et à l’ABS en raison de sa durabilité. Ses usages vont des prothèses aux boîtiers et autres pièces mécaniques.

Il est également possible d’imprimer des thermoplastiques polyvalents comme le PETG, pratique pour le prototypage d’emballages en grande distribution. Le TPU permet quant à lui de produire des objets à l’aspect caoutchouteux. On peut par exemple imprimer des joints d’étanchéité. 

Les innovations dans les technologies et les matériaux ont élargi les cas d’utilisation de l’impression 3D FDM au-delà des plastiques. L’impression 3D de filament chargé en fibre de carbone peut fabriquer des pièces aussi résistantes que du métal, comme le filament Nylon 12 CF de Stratasys.

D’autres innovations explorent l’intégration de composants électroniques dans les pièces imprimées par FDM, en recourant à des pâtes chargées en particules métalliques pour produire des circuits intégrés, des batteries et des conducteurs.

On peut également citer The Virtual Foundry, une entreprise basée dans le Wisconsin qui élabore des filaments FDM infusés de métal, de verre et de céramique. Après un processus de déliantage et de frittage pour éliminer le plastique, ces filaments donnent des pièces ayant la résistance et les propriétés thermodynamiques de certains métaux et autres matériaux robustes.

Après avoir été largement sollicitée pour le prototypage industriel, l’impression 3D FDM est aujourd’hui employée pour bien d’autres choses. Elle permet notamment la fabrication d’objets à grande échelle et l’ingénierie de pièces très complexes. Cette technologie est aussi particulièrement efficace pour la production de gabarits et de montages dans des secteurs tels que l’automobile et l’aérospatiale. 

Dans le domaine de l’aérospatiale, la société Liberty Electronics, basée en Pennsylvanie, utilise des imprimantes Stratasys pour produire des pièces imprimées en 3D pour des missiles, réduisant ainsi de 75 % le délai et le coût de production de son client. De nombreuses sociétés du secteur automobile recourent à l’impression FDM pour toute une série d’applications, comme des pièces de rechange pour les voitures classiques. L’entreprise allemande BigRep a utilisé ses imprimantes 3D FFF pour réaliser une moto entièrement fonctionnelle, la NERA.

Au fil de l’évolution de l’impression 3D, d’autres méthodes comme le SLA et le SLS continuent d’émerger et représentent de bonnes alternatives au FFF. Pour autant, le FDM est loin de disparaître de sitôt. Cela reste l’une des méthodes d’impression 3D les plus simples à mettre en œuvre, populaire au bureau, à la maison, et à l’école. Des entreprises à l’image de MakerBot commercialisent depuis longtemps leurs produits pour un moyen ludique et efficace pour les élèves d’approfondir des sujets allant de l’histoire aux mathématiques.

En outre, puisque l’impression 3D FFF est économique et accessible, elle permet des innovations rapides dans des domaines critiques comme la médecine. Pendant la pandémie de COVID-19, l'industrie utilise les imprimantes FDM pour produire des joints pour les masques respiratoires N-95. Des visières et des écouvillons pour les kits de collecte d’échantillons viraux ont également été imprimés. 

À ce jour, l’impression 3D de filament reste plus adaptée aux cas d’utilisation de prototypage rapide en raison de problèmes de durabilité. Toutefois, comme le montrent les exemples ci-dessus, diverses entreprises élargissent les types de filaments employés dans l’impression 3D par extrusion. Ces innovations vont sans aucun doute se poursuivre, faisant de l’impression 3D FDM une technologie additive importante pour de nombreuses années à venir.