Contraction plastique en impression 3D : Découvrez les causes, solutions efficaces et innovations révolutionnaires

L'impression 3D est une technologie révolutionnaire, mais elle n'est pas sans défis. L'un des problèmes les plus fréquemment rencontrés, notamment en impression 3D FDM, est le warping ou gauchissement. Cet article explore en profondeur ce phénomène, ses causes, les solutions pour l'éviter et les innovations qui permettent de le contrer.

Introduction au Warping

Le warping est un phénomène courant qui se produit lors de l'impression 3D, en particulier avec des matériaux comme l'ABS. Il se manifeste par le décollement des coins de la pièce du plateau d'impression, entraînant une déformation. Comprendre ce phénomène est essentiel pour obtenir des impressions de qualité. Le warping en impression 3D est généralement causé par une contraction du matériau suite à un refroidissement trop rapide de celui-ci, ce choc thermique entraîne une tension dans la pièce et provoque un décollement des coins du plateau d’impression. Ce phénomène apparaît plus souvent sur les pièces imprimées en grand format, qui présentent une forte contraction lors de la période de refroidissement.

Causes principales du Warping

Le warping est principalement lié à des problèmes de température. Les matériaux avec une température d'extrusion élevée, comme l'ABS, sont particulièrement susceptibles de se déformer lorsqu'ils refroidissent. Cette déformation se produit car le matériau, lorsqu'il est chauffé, se dilate et, lorsqu'il refroidit, se contracte. Cette contraction provoque des contraintes sur le plastique "plus chaud". Ces contraintes sont d'autant plus importantes que le refroidissement est rapide. Si le plastique plus chaud adhère bien au plateau ou à la couche d'en dessous, alors les contraintes n'affectent que très faiblement la pièce. Au contraire, si le plastique chaud n'est pas assez solidaire de la couche du dessous ou du plateau, les contraintes déforment la pièce plastique. Le warping apparaît dans les coins car ils concentrent les contraintes.

Plusieurs facteurs peuvent contribuer au warping :

Température d'impression trop haute : Si la température d'impression est trop élevée, il peut y avoir une différence de température trop importante avec votre espace d’impression. Cela risque de provoquer un choc thermique brutal car la pièce va se refroidir trop rapidement.
Température d'impression de la première couche trop basse : Si votre première couche d’impression n’est pas assez chaude, elle peut ne pas être assez visqueuse. Votre pièce ne va donc pas bien adhérer à votre plateau et cela risque de faciliter le détachement de votre pièce à votre plateau.
Adhérence insuffisante entre la pièce et le plateau d'impression : Comme expliqué, si la pièce n'adhère pas suffisamment au plateau d'impression, elle peut se décoller et se déformer en cours d'impression.
Plateau d'impression non chauffé ou mal calibré : Si le plateau d'impression n'est pas chauffé ou mal calibré, la pièce peut encore une fois ne pas adhérer correctement, ce qui peut entraîner un Warping.
Matériau inapproprié : Certains matériaux peuvent être plus sujets au Warping que d'autres. Les matériaux qui ont une forte contraction lorsqu'ils refroidissent, comme l'ABS ou le Nylon, peuvent être plus sujets au Warping que d'autres matériaux.
Vitesse d'impression trop élevée : Une vitesse d'impression trop élevée peut empêcher à la buse de transmettre assez de chaleur aux couches inférieures déjà imprimées et donc ne pas les aider à se refroidir lentement grâce au transfert de chaleur de la couche supérieure.
Vitesse d'impression trop faible : Il est important de pouvoir recouvrir dans un délai raisonnable la précédente couche imprimée. Ainsi votre couche inférieure pourra bénéficier de la chaleur de la couche supérieure pour refroidir lentement.

Importance de la gestion de la température

Une gestion adéquate de la température est cruciale pour éviter le warping. Il faut non seulement surveiller la température du filament mais aussi celle de l'environnement d'impression. Utiliser un plateau chauffant et contrôler la température ambiante peut réduire le risque de warping.

Solutions pour éviter le warping

Pour lutter contre le warping, il faut travailler à réduire le choc thermique et améliorer l'adhérence de l'objet. Plusieurs manipulations et ajustements vont agir sur ce phénomène, d’un point de vue machine, d’un point de vue logiciel, et le choix du type de filament influera également fortement sur ce comportement.

Voici quelques conseils pratiques :

Préparation de la surface d'impression

La préparation de la surface d'impression est une étape importante pour éviter le Warping en impression 3D. Il existe plusieurs méthodes pour préparer la surface d'impression du plateau, et cela dépend souvent du matériau utilisé pour l'impression. Voici quelques méthodes pour préparer la surface d'impression de votre plateau et éviter le Warping :

Nettoyer la surface d'impression : Avant chaque impression nettoyer la surface du plateau pour éliminer toute la poussière, la graisse ou d'autres contaminants. Utilisez de l'alcool isopropylique ou de l'eau savonneuse pour nettoyer la surface d'impression.
Utiliser un adhésif : L'utilisation d'un adhésif tel que de la laque ou de la colle pour maintenir la pièce en place peut améliorer l'adhérence entre la pièce et le plateau d'impression. Cela permet de réduire les risques de Warping en empêchant la pièce de se décoller pendant l'impression. Les substances adhésives sur le plateau, comme des laques ou des colles spécifiques, sont une pratique répandue.
Utiliser un plateau d'impression chauffé : La température du plateau d'impression est un facteur important pour éviter le Warping. Les plateaux d'impression chauffés permettent d'améliorer l'adhérence entre la pièce et le plateau d'impression en réduisant les contraintes internes. Pour le plateau chauffant, la température doit être réglée en fonction du matériau utilisé. En général, les filaments tels que l'ABS nécessitent un plateau chauffant à une température plus élevée que le PLA. La température recommandée pour un plateau chauffant est souvent fournie dans la documentation du filament ou de l'imprimante 3D. Il est important de s'assurer que le plateau chauffant est uniformément chauffé et que la surface d'impression est plane et propre pour une meilleure adhérence.
Température d'impression : La température d'impression dépend également du matériau utilisé. En général, une température plus élevée est recommandée pour les filaments plus résistants tels que l'ABS, tandis que les filaments plus faciles à imprimer tels que le PLA peuvent être imprimés à des températures plus basses. Il est important de s'assurer que la température est uniformément répartie dans la buse d'impression pour éviter les contraintes internes et le Warping.
Taille et complexité de la pièce : Les grandes pièces ont tendance à se déformer plus facilement que les petites pièces en raison des contraintes internes et de la répartition de la chaleur. Pour les grandes pièces, il peut être nécessaire d'augmenter la température du plateau chauffant ou de la température d'impression pour éviter le Warping. Les pièces plus complexes peuvent nécessiter une température plus élevée pour assurer une bonne adhérence entre les couches.
Environnement : L'environnement d'impression peut également affecter la température. Les températures ambiantes élevées peuvent réduire la différence de température entre la buse d'impression et le plateau chauffant, ce qui peut entraîner une mauvaise adhérence. Les températures basses peuvent nécessiter une augmentation de la température du plateau chauffant ou de la température d'impression pour éviter le Warping.

Choix du filament

Le choix du filament est très important pour éviter le Warping en impression 3D. Certains filaments sont plus sensibles que d'autres au Warping, en fonction de leurs caractéristiques physiques, chimiques et mécaniques. Il est donc important de choisir le bon filament pour chaque situation.

Voici des recommandations pour les filaments les plus populaires :

PLA (Acide polylactique) : Le PLA est l'un des filaments les plus populaires en impression 3D. Il est facile à utiliser, peu coûteux, et a une faible contraction. Il est très rare d’avoir du Warping avec cette matière.
ABS (Acrylonitrile butadiène styrène) : L'ABS est un filament plus résistant que le PLA et est souvent utilisé pour les pièces fonctionnelles. Malheureusement, il est plus sensible au Warping et nécessite souvent l'utilisation d'un plateau d'impression chauffé voir même d’un caisson thermique.
PETG (Polyéthylène téréphtalate glycol) : Le PETG est un filament hybride qui combine les avantages du PLA et de l'ABS. Il est plus résistant que le PLA et moins sensible au Warping que l'ABS. Il est néanmoins recommandé d'utiliser un plateau chauffant.
Nylon : Le nylon est un filament résistant et flexible qui est souvent utilisé pour les pièces fonctionnelles. Il est très sensible au Warping et nécessite un caisson thermique et un plateau chauffant.
PVA (Alcool polyvinylique) : Le PVA est un filament soluble dans l'eau qui est souvent utilisé pour les supports d'impression.

Utilisation d'un caisson d'impression

L'utilisation d'un caisson d'impression peut aider à réduire le risque de Warping en régulant la température et l'humidité à l'intérieur de l'espace clos. Les caissons d’impression sont fournis par défaut sur les imprimantes 3D professionnelles, mais peuvent être achetés séparément. Si vous n’avez pas ce budget vous pouvez aussi essayer d'en fabriquer un en créant une boîte la plus isolante thermique possible.

Paramétrage du Slicer (raft, jupe ou d'un brim, ventilation)

L'utilisation d'un raft, jupe ou d'un brim est une technique facile à mettre en place pour lutter contre le Warping. Ces techniques consistent à ajouter dans votre Slicer une base supplémentaire sous la pièce plus ou moins importante, ce qui peut améliorer l'adhérence de la pièce sur le plateau d'impression et réduire les risques de Warping.

Cependant, ces techniques augmentent le temps d'impression et consomment plus de matériaux. Vous pouvez aussi couper la ventilation imprimante pour éviter à votre pièce de subir un refroidissement trop brutal.

Calibration du plateau

La calibration de votre plateau va avoir un rôle majeur sur la réussite de votre première couche. Ce que l’on entend par calibration du plateau correspond en réalité à un couple de réglage.

Z-offset : Le premier élément machine à régler est le Z-offset de votre imprimante 3D, cela correspond à l’écart entre la buse et le plateau en position de départ. La position d’origine de la buse d’impression doit être positionnée entre 0.1 et 0.2 mm du plateau. Ce Z-offset est généralement manuel et à régler directement sur l’imprimante 3D.
Planéité du plateau : La deuxième étape correspond à la planéité du plateau. Pour vérifier la bonne planéité du plateau, il suffit alors de déplacer la tête d’impression (et la buse) dans différentes zones du plateau de manière à répercuter mécaniquement l’écart initialement choisi dans tous les points. Ainsi, en validant un espace constant entre buse et plateau en différent point, cela confirme la bonne planéité du plateau d’impression 3D.

Il est important de réaliser ces étapes de calibrations du plateau à chaud. La technique utilisant une feuille de papier pour apprécier l’écart entre buse et plateau est celle apportant les meilleurs résultats. Ressentir un léger frottement lorsque la feuille de papier glisse entre buse et plateau confirme un écart de 0.1 mm.

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Paramètres Cura

Dans le logiciel Cura, il existe certains paramètres dédiés à cette première couche. La possibilité de modifier l’épaisseur de la première couche, la vitesse ou la ventilation va aider à améliorer celle-ci. L’ajout d’une bordure ou d’un radeau va également pouvoir aider dans ce sens. La première couche a pour rôle d’assurer une liaison efficace avec le plateau de fabrication. Ainsi, un dépôt lent et suffisamment épais est important. Les autres possibilités logicielles vont permettre l’ajout d’un artefact autour (la bordure au centre) ou sous (le radeau à droite) le modèle 3D. L’ajout d’une bordure (aussi appelé brim) va aider à la stabilité et à l’adhérence de votre modèle 3D, il aura aussi pour effet de maintenir une adhérence plateau plus efficace lors de la création des tensions de retrait. La fine couche qui compose la bordure est en contact direct avec le plateau chaud, elle va aider à maintenir une adhérence sur les zones sensibles. Le radeau va quant à lui permettre la création d’une structure fine sous l’objet à imprimer. Cette structure de radeau va limiter les tensions appliquées sur le plateau et augmenter les chances d’avoir une adhérence efficace.

Déterminer la bonne température de chauffe du plateau d’impression est très important. Selon le type de filament 3D utilisé il faudra alors adapter cette température. Chaque fabricant de filament indique une plage de température recommandée pour la chauffe du plateau. Il est alors nécessaire de travailler dans cette plage selon votre type de revêtement plateau et la dimension de votre modèle 3D. En utilisant les températures recommandées, certains matériaux vont déjà suffisamment bien adhérer sur le plateau. Le filament PLA par exemple imprimé sur un plateau en verre à 60°C aura une adhérence parfaite pendant l’impression.

Épaisseur de la première couche

Trop écrasée : Elle augmente les contraintes.
Trop haute : Elle diminue l’adhérence.

La première chose à faire est de régler l'offset pour trouver le compromis entre contraintes et adhérence.

Température

Une température trop élevée entraîne un refroidissement trop brutal et donc plus de contraintes. Il est conseillé de baisser un peu la température dans le logiciel de tranchage, mais pas trop pour ne pas compromettre la qualité de l'impression.

Géométrie de la pièce

Les coins accumulent les contraintes et le risque de warping. De très grandes surfaces augmentent aussi ce risque car le refroidissement va se faire différemment au centre et sur les bords. La solution correspondante à ce problème, c'est l'option "amélioration de la surface d'adhésion" dans le logiciel de tranchage.

Innovations et nouveaux matériaux

Face à cette problématique, l'innovation dans le domaine des matériaux d'impression 3D est cruciale. L'ABS ADH_Perfect, développé par Optimus, représente une avancée significative. Ce filament spécial est conçu pour améliorer l'adhérence au plateau, réduisant ainsi considérablement le risque de warping.

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Contraction plastique en impression 3D : Causes, solutions et innovations