Auteur: Fivos (Fivos.Pham@etu.sorbonne-universite.fr)

Voici dans ce wiki quelques éléments de la construction de mon imprimante 3d perso.
Dans une première partie je présente les éléments d'une imprimante 3d. J'ai essayer de résumer les choix que l'on rencontre dans la conception d'une imprimante 3d avec des exemples représentatifs et de la documentation qui m'a été très utile.
La seconde partie est mon journal de bord qui s'étend sur l'année 2022.
J'espère que cette documentation pourra aider des utilisateurs du Fablab SU qui souhaitent avoir une imprimante 3d à la maison ! Construire soit même son imprimante 3d plutôt qu'en acheter une permet de très bien la comprendre et est une bonne expérience au DIY. En avoir une à la maison permet de mener des projets perso quand celles du Fablab ne sont pas disponibles ou que l'on ne peut pas s'y rendre. Vous remarquerez que la plupart des pièces qui constituent la machine ont été imprimées au fablab, qui devient un peu un lieu de reproduction et de dissémination d'imprimantes 3d ;).

Petit rappel des faits:
Il existe plusieurs technologies d'impression 3D très différentes, FDM, SLA, SLS, etc. La plus simple à bricoler pour un amateur est l'impression FDM, “par dépôt de filament”, qui est aussi la moins précise et la moins coûteuse.
Son fonctionnement consiste à déposer petit à petit de la matière (plastique fondu mais aussi argile, métal, tissus biologiques, chocolat, etc) dans l'espace. La matière plus ou moins liquéfiée sort sous pression de la tête d'impression via une buse, c'est l'extrusion. Pour obtenir la forme voulu, le dépôt se fait par le positionnement dans l'espace de la tête d'impression ou du plateau qui sert de base à l'impression. Un format STL contient des informations concernants les coordonnées de la surface approximée d'un objet 3D et peut être trouvé sur internet ou créé sur un logiciel de conception assisté par ordinateur (CAO ou CAD en anglais). Un slicer convertit le fichier STL en une série de commande “gcode” compréhensible par l'imprimante, qui lui dicte chaque mouvement. En créant les lignes gcode, le slicer nous permet d'adopter les paramètres souhaités pour une impression.
La phase de création des fichiers STL et GCODE se déroule sur ordinateur et est la même pour quasiment toutes les imprimantes 3D du monde. Ce qui change d'une imprimante à l'autre est l'interprétation des lignes de commandes par le firmware intégré dans la carte mère de l'imprimante. Le firmware va réellement contenir les informations sur l'architecture de l'imprimante et ses caractéristiques de fonctionnement.
Par exemple, en rentrant des informations concernant l'architecture de notre imprimante sur le slicer et dans le firmware, les coordonnées crées et exécutés vont pouvoir correctement placer la buse/le plateau à chaque instant. En effet, il existe plusieurs systèmes de coordonnées et plusieurs système de placage possible dans l'espace, ils ont tous au minimum trois degrés de libertés ;

Parmi toute cette diversité, les imprimantes fonctionnant avec une architecture cartésienne sont de loin les plus courantes et aussi les plus simples à fabriquer.
Avec une imprimante cartésienne, trois moteurs animent trois axes linéaires. Chaque axe correspond à un axe de coordonnée cartésienne. Mais avec 2 composants à placer l'un par rapport à l'autre (la tête d'impression et le plateau), il est difficile de découpler les trois axes (certains mécanismes parallèles comme le Tripteron ou les Delta y parviennent). Pour construire une imprimante cartésienne, il faut donc empiler au minimum 2 axes l'un sur l'autre, ce qui engendre plusieurs configurations possible qui sont strictement équivalentes en terme de cinématique (positionnement, vitesse) mais peuvent varier en stabilité, en ergonomie/encombrement;

Pour guider le mouvement linéaire, il existe énormément de système mécanique, la plupart ayant été conçu au XIXème siècle : mécanisme de Peaucellier, de Sarrus, de Watt… Grâce à la précision d'usinage moderne, les imprimantes 3d utilisent des unités simples de rail à bille, rail en queue d'aronde, tige à roulement linéaire…
Ces systèmes de guidages permettent un déplacement fluide, rapide et surtout sans jeu. Pour fabriquer ces guidage soi même, il faut avoir de sérieux moyens d'usinage (fraiseuse, tour à métaux), nous sommes donc forcés d'en acheter. On peut aussi en récupérer sur de vieux appareils comme des imprimantes papier, lecteurs cd, coupe carreaux, voir tiroirs à glissières… mais la précision ne sera pas forcément au rendez-vous!
Personnellement j'ai opté pour le système que commercialise openbuilds qui utilise des mini-roues (à billes) et des profilés d'alu “v-slot”. La rigidité qu'offre le système est excellente pour notre application. Le jeu peut être réglé grâce la fixation excentrique des mini-roues, un peu comme une came mécanique, mais le processus est assez fastidieux. Le prix est moyen par rapport aux autres systèmes de guidage, c'est surtout les profilés d'aluminium qui coûtent cher. Je me suis fourni chez l'entreprise systeal en région parisienne.
Exemples de réalisation avec le système “v-slot”, en impression 3d ou autre :

Afin de transformer le mouvement circulaire que fournissent les moteurs en mouvement linéaire, on peut utiliser divers mécanisme : vis-écrou, poulie-courroie, bielle-manivelle, pignon-crémaillère…
En impression 3d c'est surtout les systèmes vis-écrou et poulie-courroie qui sont utilisés, et dans de rares cas la crémaillère.

Chaque système à des avantages et des inconvénients, la vis permet une bonne rigidité et un placement précis pour des charges lourdes, la courroie offre la rapidité…
Personnellement j'ai choisit des vis pour tous les axes. Les vis et écrous destinés à la transformation du mouvement possèdent un filetage trapézoïdale “acme” qui est différent de celui qui sert à visser. Plus le pas de la vis est petit (respectivement plus le nombre de dents de la poulie ou de la crémaillère est grand), plus la précision est grande et la vitesse de transmission lente. Il existe des vis avec écrou simple mais aussi des vis à billes qui sont onéreuses et permettent un mouvement extrêmement fluide et sans jeu (les imprimantes du fablabs en sont équipées sur leur axe Z!).
Quelques discussions que j'avais repéré concernant le choix entre une vis ou une courroie :
https://www.lesimprimantes3d.fr/forum/topic/16580-entrainement-axe-x-pourquoi-pas-une-vis-à-la-place-de-la-courroie/
https://www.lesimprimantes3d.fr/forum/topic/13384-vis-a-billes/

Là encore, la tête d'impression est difficile à fabriquer soi-même sans moyen d'usinage.
Elle est constituée de bas en haut : d'une buse, d'un bloc de chauffe, d'un heatbreak, d'un radiateur, d'un raccord pneumatique. Avec un extruder “Bowden”, un moteur pas à pas fixe pousse (ou rétracte si l'on veut arrêter d'imprimer) le filament de matière dans un tube pneumatique, qui s'arrête au raccord pneumatique de la tête.
En direct drive, le moteur pas à pas est situé juste au dessus de la tête mobile.
Le filament passe dans le radiateur afin d'être maintenu froid et solide. Le heatbreak est le conduit qui mène le filament du radiateur au bloc de chauffe. Le bloc de chauffe fond le filament, c'est un corps métallique constitué d'une résistante chauffante à 200°C et d'une thermistance qui capte la température. Enfin le filament fondu traverse la buse qui est une pièce en laiton ou acier percée à un diamètre inférieur à celui du filament, souvent entre 0.2 et 0.8 mm.
Il est utile de connaître l'intérieur de la tête d'impression surtout quand on doit la déboucher.
Le schéma ci-dessous m'a beaucoup aidé car il existe plusieurs type de connexion entre le radiateur et la buse. Quand vous achetez une tête, vérifier qu'elle comporte la notion “full metal” car il arrive que des fabricants remplacent le heatbreak pour en mettre un moins cher contenant du plastique, ce qui m'est arrivé sur ma E3D V6. On trouve de nombreux extrudeurs à des sommes modiques sur de nombreux sites internet. Sinon, on peut acheter des pièces détachés de qualité vendue par trianglelab. En magasin, il y a aussi une boutique spécialisée dans l'impression 3d à Paris qui vend des extrudeurs, du filament, etc : https://letmeknow.fr/fr/

Tous les éléments de l'imprimante (au minimum: capteurs de température, capteurs de fin de course, moteurs pas à pas, résistance chauffante, ventilateurs) sont connectés et commandés par la carte de contrôle de l'imprimante.
On peut acheter les cartes mères d'imprimantes 3d de marque connues (creality, anycubic, bigtreetech, etc). Néanmoins pour une imprimante DIY l'incontournable est la carte RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield), une carte mère créée pour le projet open source RepRap qui est très bien documentée par ceux qui fabriquent leurs imprimantes (certains assemblent eux-même leur carte à partir de composants). Elle doit être couplée à l'arduino MEGA pour fonctionner.



en rouge une RAMPS 1.4
en bleu une Arduino MEGA
5 modules pilotes de moteur pas à pas











Il y a différents modules pilotes sur le marché, plus ils sont cher plus la division angulaire des moteurs pas à pas est grande ce qui rendra ceux-ci moins bruyants.
Un schéma de branchement, ayant l'avantage de montrer les bornes de l'alimentation :

Comme pour la carte mère RAMPS, il existe en open source le firmware Marlin. Il utilise l'IDE d'arduino. Une video assez complète de présentation ligne par ligne du fichier principal configuration.h : https://www.youtube.com/watch?v=AdTJfzrwIQ4.
Néanmoins une fois que l'on connait bien le firmware, on peut trouver les explications un peu sommaires.

03/03/21

C'est dans un projet d'optique en L1 où on avait le choix de construire un microscope ou un télescope que j'ai décidé de démonter des lecteurs cd HS pour y récupérer la petite lentille qu'ils contiennent, afin d'en mesurer la focale avec les méthodes que l'on avait apprise et de les utiliser pour le projet. Je me demandais quoi faire avec ce qui restait des lecteurs cd et je suis tombé sur cette vidéo d'un Italien qui en utilise pour fabriquer une mini-imprimantes 3D :
https://www.youtube.com/watch?v=QT3dAxqICC8
https://www.youtube.com/watch?v=06PwkeSu3uc (instructions, très utiles)
Malheureusement mes lecteurs cd possédaient des moteurs à courant continu et non des moteurs pas à pas comme dans les vieux lecteurs de la vidéo.
Et puis, utiliser l'entrainement et le guidage de lecteurs cd ne permet de construire qu'une imprimante 3D très limitée en surface et en vitesse d'impression. J'ai donc décidé d'investir dans un kit de 3 moteurs NEMA 17 avec la carte ramps et les modules pilotes et dans quelques profilés d'alu. Je voulais faire le maximum d'économie et j'avais choisi d'utiliser des tiges filetées M5 (trouvables en magasin de bricolage, destinées au serrage et non à la transmission du mouvement) et des kaplas recouvert de teflon pour le guidage. Grave erreur
Le pas de la vis M5 est beaucoup trop élevé (50). Avec ce pas de vis la précision est grande mais les impressions étaient immensément longue (35h pour un cube test faisable en 3 min sur une imprimante du Fablab).
L'absence de guidage sérieux sur les axes X et Y entrainaient des décalages du plateau ce qui rend les impressions difformes, presque artistiques. Par contre il ne semblait pas avoir ce problème sur l'axe vertical où j'avais choisi un guidage “de Sarrus” (Sarrus linkage) inspiré des crics de voiture ou des petites tables ciseaux de labo de chimie.