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Articles - Étudiants SUPINFO

Présentation de la Modélisation et de l'Impression 3D

Par Lucas MARTINI Publié le 13/05/2019 à 15:36:57 Noter cet article:
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Introduction

Au cours de cet article nous allons parler de plusieurs choses qui sont toutes liées les unes aux autres. Nous allons aborder et présenter ce qu’est l’impression 3D, à quoi ça sert et comment cela fonctionne. Mais pour effectuer cette présentation de nombreuses étapes sont obligatoires, comme la modélisation d’un objet en trois dimensions, quels sont les logiciels capables de le faire et surtout comment manipuler ces logiciels pour parvenir à un objet correct et qui aura un bon rendu à la fin de l’impression. Nous allons tout de suite entrer dans le vif du sujet !

Présentation de la Modélisation 3D

Dans cette partie je vais vous présenter les concepts de base de la modélisation 3D. Je ne rentrerai pas dans les détails tout de suite, nous serons de plus en plus précis sur les termes techniques au fil de cet article. Vous avez déjà surement entendu parler d’objets tridimensionnels ? Ne me dites pas non je ne vous croirai pas ! Alors la principale différence entre un objet 2D et 3D est tout simplement le fait qu’un objet 2D est créé suivant 2 axes majeurs qui sont X et Y. Tandis que les objets 3D sont créés selon 3 axes majeurs qui sont X, Y et Z. Nous pouvons définir les axes X et Y comme deux vecteurs symbolisant la largeur et la longueur d’un objet. Le Z quant à lui symbolise simplement la profondeur de ce dernier. Ce sont les principes même qui définissent la différence entre un carré et un cube. Pour un objet 3d il y aura alors l’apparition de la perspective. C’est grâce à la perspective que souvent nous avons l’illusion qu’un objet flotte dans l’air.

Voici quelques exemples illustrant ces notions :

Ce concept étant désormais clair nous pouvons parler des outils permettant de faire de la 3D. Pour pouvoir créer un objet en 3D il va falloir utiliser un logiciel de modélisation tridimensionnelle. Grâce à lui nous allons pouvoir dans un premier temps créer de simples formes géométriques que nous appellerons des esquisses (sketch). De ce fait nous ferons des extrusions de ces esquisses, c’est-à-dire que nous donnerons du volume à notre esquisse pour qu’elle devienne un objet 3D. Nous pourrons alors parler de révolution, qui est tout simplement le fait de faire tourner un objet 2D autour d’un axe 3D (Axe Z). À la suite de cela nous aurons donc un volume de révolution. Nous pouvons retrouver d'autres notions telles que la modélisation par géométrie, modélisation volumique, modélisation paramétrique… Nous en reparlerons pus tard lors des manipulations.

Logiciels de Modélisation 3D, Quels sont les leaders du marché :

Concernant la modélisation 3D il y a un grand nombre de logiciels payants et gratuits disponibles. Lesquels sont les meilleurs ? Eh bien la réponse n’est pas si simple, car tous les logiciels actuellement sur le marché sont de bonnes qualité et proposent un grand nombre de fonctionnalités. Mais il y a un critère important à prendre en compte et pour cela il faut répondre à la question suivante : de quel domaine d’activité votre projet se rapproche-t-il le plus ? Est-ce que votre projet est plutôt un projet industriel ? Plutôt un projet purement mécanique ? Un projet de la vie quotidienne ? Un projet automobile ? Bref vous l’aurez compris avant de télécharger un logiciel il faut savoir à quel domaine d’activité votre projet appartient. Rassurez-vous beaucoup de logiciels sont polyvalents et permettent une utilisation très variée en fonction des domaines d’activité.

Ensuite le deuxième critère à prendre en compte est votre niveau de compétence en modélisation 3D. C’est très important car il faut savoir que pas tous les logiciels sont à la portée des débutants. Il y a de nombreux logiciels réservés au professionnel et dont les compétences de l’utilisateur doivent être fortement solides pour pouvoir l’utiliser. Donc là encore il faut que de manière précise vous arriviez à connaitre votre niveau.Un autre critère doit être pris en compte dans le choix du logiciel a utilisé. Il s’agit du type de fichier prit en compte par le logiciel. Eh oui certains logiciels ne prennent pas en compte tous les types de fichiers. Pourquoi ? Tout simplement car certains logiciels sont destinés à une utilisation bien précise et ils ne sont pas tous destinés à l’impression 3D … Certains logiciels sont utilisés pour le cinéma ou la création de jeux vidéo …Le dernier critère à prendre en compte et qui n’est pas des moindre est le prix des logiciels… Evidemment il faut aborder la notion de prix car certains logiciels atteignent des prix extravagants et d'autres logiciels très complets sont à des prix tout à fait raisonnable ou même des fois totalement gratuit.

Voici ci-dessous un lien vous amenant sur un tableau recensant de nombreux logiciels. Dans ce tableau vous trouverez les différents critères que nous avons évoqués plus haut :

https://all3dp.com/fr/1/logiciel-3d-gratuit-logiciel-modelisation-3d-cao/

Pour exemple et pour les démonstrations futures nous allons nous concentrer sur deux logiciels que j’affectionne particulièrement qui sont : Solidworks et fusion 360.

Pourquoi ai-je choisi c’est deux logiciels ?

Et bien tout simplement car ce sont tous deux des logiciels très complets et qui se ressemblent beaucoup mais qui ont tout de même chacun leurs particularités. Je vais donc vous les présenter mais avant cela j’aimerais vous parler de deux notions que vous allez souvent rencontrer lorsque vous rechercherez votre logiciel de modélisation 3D, ce sont les notions MAO et CAO.

MAO : Qui est l’acronyme de « Modélisation Assisté par Ordinateur »,

CAO : C’est l’acronyme de « Conception Assistée par Ordinateur », ce qui signifie simplement que le logiciel utilise des techniques de modélisation géométrique permettant de concevoir et de tester a l’aide d’un ordinateur des outils ou objet en tout genre.

SolidWorks :

C’est un logiciel de modélisation et conception 3D, comprenant les deux termes que nous avons vus (MAO & CAO). C’est un logiciel basé principalement sur les domaines industriels. Il s’agit d’un logiciel conçu par la fameuse firme Dassault Systèmes. Solidworks est accès sur le design industriel, le génie mécanique l’automobile, la construction navale… De ce fait c’est un logiciel très complet et intuitif, d’ailleurs cet outil propose de nombreuses structures de matériaux avec de nombreuses contraintes et possibilité de tester la structure de chaque matière utilisée pour votre objet. Malgré son positionnement sur le domaine industriel, Solidworks est tout à fait utilisable pour l’impression 3D. Grace à son large éventail d’outils et d’options il est un des favoris de nombreuses personnes faisant de l’impression 3 d. Il est assez intuitif a l'utilisation et prend en charge de nombreux types de fichiers. De plus il est possible de programmer le remplissage et la granularité des couches de l’objet imprimé.

Voici ci-dessous une image de l’interface de SolidWorks :

Fusion 360 :

Voici le deuxième logiciel que j’ai choisi de vous présenter. Cet outil se démarque des autres logiciels de modélisation 3D par le fait qu’il est beaucoup plus simple et intuitif que ses concurrents. Ce dernier prend en compte les mêmes fonctionnalités que les autres logiciels professionnels en matière de design et de test des objets 3D. Il propose également de nombreuses sections comme le maillage des composants et des onglets proposant une vue différente selon la conception de l’objet en question. On y retrouve des sections « modèles », « mécaniques », « Patch » … Un peu comme Solidworks, Fusion 360 proposent également des simulations de contraintes exercées sur les objets. De plus ce logiciel prend en compte de nombreux types de fichiers et propose même un partage de fichiers via le cloud. Il est également très performant dans le domaine de l’impression 3D et intègre même un outil permettant de gérer l’impression directement via le logiciel ce qui le rend davantage complet car nous n’avons pas besoin de logiciel supplémentaire pour lancer notre impression.

Ne rêvez pas, Fusion 360 demande quand même certaines notions de design et d’infographie pour pouvoir l’utiliser pleinement et efficacement. D’autant plus que certaines fonctions complexes sont à la portée d’expert dans le domaine.

Voici un petit aperçu de l’interface de Fusion 360 :

SolidWorks Vs Fusion360 :

Depuis de nombreuses années Solidworks a été le leader en la matière dans le domaine de la conception et de la modélisation 3D. Mais depuis l’arrivée sur le marché de Fusion 360 il y a 6 ans certaines choses ont changé. Solidworks et fusion 360 sont d’authentique logiciel créé et utilisé pour la conception et la modélisation 3D, mais à par ce point commun ils sont fondamentalement différents. Les avis concernant ces deux logiciels pourront différer en fonction des attentes et du domaine d’utilisation de ces deux logiciels. Cela va tout simplement dépendre de votre domaine d’activité, si vous être plutôt ingénieur, designer, architecte ou créateur.

La première différence est visible quand on s’intéresse à l’aspect modélisation. Pourquoi ? Tout simplement car les logiciels utilisent des techniques différentes. Solidworks utilise l’assemblage d’objets, c’est-à-dire qu'il construit les pièces individuellement avant de les assembler dans un fichier séparé. Ceci est avantageux lorsque les pièces sont utilisées dans de nombreux assemblages nous pouvons les réutiliser et éventuellement les modifier, où par exemple si l’on veut faire une documentation détaillée du projet. Bien que Solidworks ait la possibilité de créer des pièces à corps multiples, cette fonctionnalité n’offre pas là réellement la même souplesse que la même manipulation sur fusion360.

Du coup le processus de Fusion 360 n’est pas le même. Car sur Fusion 360 les pièces sont créées dans le même fichier, ce qui rend les choses tout de même plus simples pour des ingénieurs ou pour des utilisateurs lambda. Nous pouvons donc dire que pour la création d’un projet comportant plusieurs pièces Fusion 360 est meilleur à ce niveau-là. Concernant l’aspect mécanique, c’est-à-dire la création d’un objet mécanique Fusion 360 est plus simple d’utilisation pour des utilisateurs non qualifié (non ingénieur ou expert). En revanche sa simplicité dans ce domaine ne lui permet pas de contenir et proposé le panel de fonctions que propose SolidWorks. De plus SolidWorks propose également des méthodes de simulation avancés et très complète que ne propose pas Fusion 360. C’est pour c’est raison que pour la modélisation mécanique SolidWorks proposera beaucoup plus de fonctions complexes et spécifique et d’un côté plus technique qui correspondra davantage a des ingénieurs ou autre experts.

Un point très important et pas des moindre est la création et modélisation de « Mesh » ou plus communément appelé en français le maillage. Les Mesh sont des ensembles de points permettant de créer des structures géométriques plus complexe que de simple carré modélisé en cube ou des rond extrudé en cylindre…. Une fois les points placés sur une surface nous pouvant interagir sur ces points en les poussants ou tirants pour obtenir un sommet ou des courbes plus complexes. Et contrairement a SolidWorks Fusion 360 est très fort dans ce domaine car nos pouvons directement importé des fichiers et les travaillé directement en se rendant sur l’onglet « Mesh ». Le rendu est vraiment de qualité car même en retravaillant la structure nous arrivons facilement a obtenir un rendu lisse et complétement propice pour l’impression 3D. SolidWorks quant à lui propose un outil de maillage qui n’est pas très bien adapté et laisse en fin de traitement des rendu brut et pas aussi lisse et travaillé que Fusion 360. Pour clôturer la comparaison de ces deux logiciels, je dirais que j’ai un petit penchant pour Fusion 360 car il fournit une interface vraiment facile et intuitive au premier abord. Et je pense qu’il comblera tous vos besoins a moins que vous soyez dans un domaine purement industriel et professionnel ou à ce moment la SolidWorks sera plus adaptée a vos besoins surtout dans les domaines de conceptions mécaniques avec l’utilisation fonctions complexes.

Les différents formats utilisés en Modélisations 3D :

Voici dans cette partie les différents types d’extension de fichier concernant la 3D. Commençons par l’un des fichiers les plus connu dans le monde de la modélisation 3D est l’extension au format «. STL ».

STL veut dire stéréolithographie qui est généralement reconnu comme étant un fichier CAO (Conception Assistée par Ordinateur, revoir la définition plus haut), il s’agit tout simplement d’un fichier contenant un ou des objets 3D. Ce format étant reconnu comme fichier CAO permet donc d’être lu et reconnu a travers multiple logiciels ce qui est un gros avantage. En revanche si vous n’arrivez pas a lire un fichier en «. STL » ne changé pas l’extension car cela ne servira a rien et le fichier ne sera toujours pas reconnu. Voici quelques logiciels capables de lire des fichiers comportant une extension «. STL » sont : Catia, Fusion360, SolidWorks ou plus simplement tous les logiciels capables de prendre en compte les CAO.

AMF : est une extension qui ressemble a STL car le fichier est reconnu en tant que CAO mais la différence est que AMF décrit un objet 3D utilisé et préparé pour l’impression 3D. Il contient un ou plusieurs objets, qui incluent la géométrie, la couleur et les matériaux choisis pour concevoir l’objet en question. Les fichiers AMF stockent également d’autre informations concernant l’arrangement de plusieurs objets et également les informations (métadonnées) de celui qui l’a créé.

OBJ : Est un format standard utilisé pour la modélisation 3D. Il peut être exporter et utilisé dans tous les logiciel 3D. C’est vraiment un format de référence qui prend en compte les textures, coordonnées et de nombreuses autres informations.

3MF : est un des formats les plus important car c’est l’un des seuls formats permettant de passé de la conception a la fabrication de l’objet 3D. C’est-à-dire que le fichier pourra être enregistrer en tant que tel et reconnu par les imprimantes comme un fichier imprimable. Il n’y aura donc pas d’export ou de changement d’extension à faire. Il permet donc de remplacer les formats que nous avons vu précédemment comme STL, AMF, OBJ….

De la modélisation a l’impression 3D :

Nous avons donc vu comment créer un objet 3D et avec quels logiciels. Nous avons également abordé les différentes extensions utilisées dans le domaine de la modélisation 3D. Un fois que vous avez créé et généré votre objet 3D et qu’il est au bon format et avec la bonne extension vous pourrez alors l’importer dans un logiciel qui va permettre de paramétrer votre imprimante en fonction de l’objets et du type de filament que vous souhaitez utiliser.

Cura : Cura Ultimaker 3D est l’un des logiciels que vous pourrez utiliser pour optimiser l’impression de votre objet. Pour ce faire vous pouvez télécharger ce logiciel gratuit en cliquant sur ce lien :

Cura va donc vous permettre de sélectionner votre imprimante. Une fois que vous l’avez sélectionné, vous devez importer votre fichier dans cura. Et lorsque le fichier a été importé, vous aurez alors a l’écran votre objet qui serra modélisé a l’échelle du plateau de votre imprimante que vous pourrez voir en arrière-plan. Une fois que votre objet aura apparu vous pourrez alors sélectionner le type de filament que vous désirez utiliser pour l’impression. Puis dans une fenêtre a votre droite apparaitra des profils qui vous proposerons des configurations de bases pur votre futurs impression. S’il s’agit de vos premières impressions et que vous ne savez pas trop quoi paramétrer je vous conseille de sélectionner le profil le plus adapté a vos attentes et de ne rien modifier. Au fur et a mesure de vos impressions vous pourrez commencer a modifier certaines configurations pour affiner votre rendu mais pour vos début cela vous contentera amplement.

Les différents types de Filaments

Nous allons parler dans cette section des nombreux filaments qui existe et qui sont compatibles avec les imprimantes 3D. Il y en a de toutes sortes qui sont adaptés a tous vos besoins. Sachez simplement qu’en fonction des filaments que vous utilisez le rendu et la facilité d’impression ne sera pas tout le temps au rendez-vous ! Vous verrez aussi que les températures d’impression sont différentes selon les matières et les types de bobines. Vous devrez alors gérer la température d’extrusion et la température du plateau afin que votre pièce reste bien en place lors de l’impression. Nous allons voir cela plus en détails. Pour commencer nous allons voir les filaments les plus utilisés comme le PLA, ABS et autres…

Filament en PLA :

Cet acronyme signifie Acide Polyactique. Il s’agit d’un des filaments les plus utilisés dans l’impression 3D, il s’agit d’un matériau composé essentiellement d’amidon de Maïs. A savoir que ce composant est entièrement biodégradable. Ce filament est beaucoup utilisé car il est simple d’utilisation et demande une température d’extrusion assez basse permettant a toutes les imprimantes 3D de l’utiliser. De plus un large choix de couleur est disponible pour ce filament. Ce filament se place très bien sur le marché avec son marché tout à fait attractif.

Info : La température d’extrusion se trouve entre 180 et 230°c (selon les constructeurs)

Filaments en ABS :

L’Acrylontril Butadiène Stylrène, ce filament se démarque par sa grande rigidité et sa résistance aux chocs. Il est beaucoup utilisé dans la création de jouets pour enfants tels que les légos par exemple. Pour ce type de filament il est nécessaire d’avoir un plateau chauffant.

Info : La température d’extrusion se trouve entre 210 et 235°c (selon les constructeurs)

Filament en PETG :

Ce filament est le plastique le plus utilisé au monde car il fournit une plus grande rigidité et résistance que les deux précédents filaments. Il est assez simple a imprimé et offre un beau rendu sans démarcation de strie. En revanche un des inconvénients du PETG est qu’il absorbe l’humidité. Vous ne pourrez donc pas le mettre dans un milieu humide ou même vous en servir en tant que tasse ou autres.

Info : La température d’extrusion se trouve entre 220 et 250°c (selon les constructeurs) et la température du plateau chauffant devra se trouver entre 50 et 75 °C.

Filament en Nylon :

Le nylon est un polymère bien connu. C’est le plus solide, le plus durable et le plus flexible de tous les filaments. Tout comme le PETG il ne supporte pas bien l’humidité. L’impression de ce matériau est un peu plus complexe que les autres et nécessite un peu plus d’expérience.

Info : La température d’extrusion se trouve entre 240 et 260°c (selon les constructeurs) et la température du plateau chauffant devra se trouver entre 70 et 100 °C.

Filament TPE (Flexible) :

Ces filaments sont caractérisés comme étant des élastomères autrement dit des plastiques facilement élastique, flexible de nature et durable dans le temps. Ce filament une fois imprimé peut résister a beaucoup de contrainte élastique, il permet de s’étirer et reprendre sa forme juste après. Ce matériau est plutôt difficile a imprimer car son élasticité ne joue pas en sa faveur pour l’extrusion. Le TPU est de la même famille et offre les mêmes caractéristiques mais en étant plus rigide.

Info : La température d’extrusion se trouve entre 210 et 230°c (selon les constructeurs) et la température du plateau chauffant devra se trouver entre 30 et 60 °C mais pas obligatoire.

Filament PC ou Polycarbonate :

Ce filament très robuste se caractérise par sa forte résistance aux chocs. Il peut également supporter de forte température allant jusqu’à 110°c. Il possède également une propriété le rendant transparent.

Info : La température d’extrusion se trouve entre 270 et 310°c (selon les constructeurs) et la température du plateau chauffant devra se trouver entre 90 et 110 °c.

Filament en Bois :

Première chose à savoir c’est que ces filaments ne sont pas exactement du bois, ils ont la même apparence, la même couleur, la même texture mais ils ne sont pas composés exclusivement de bois. Il s’agit d’un mélange de PLA (filament que nous avons vu plus haut), et de copeaux ou fibre de bois. Le rendu sera donc moins flexible et moins solide qu’une vraie pièce en bois mais le rendu esthétique est bluffant.

Les températures recommandées pour l'extrusion et le plateau chauffant seront les mêmes que le PLA.

Filament en Métal :

La encore grâce a ce filament dérivé de métal mixé avec du PLA vous pourrez imprimer des objets en bronze, laiton, cuivre, aluminium, or…. Bien entendu encore une fois il s’agit de poudre de métal mélangé au PLA ou ABS. EN revanche malgré cela le rendu est vraiment très beau avec une réelle apparence métallique et le plus surprenant c’est le poids. L’objet est vraiment plus lourd que les autres objets fait en plastique. C’est vraiment surprenant ! En fait ce phénomène est dû au pourcentage de mélange de PLA ou d'ABS avec la poudre de métal. Certains mélanges se font à 50/50 et d’autres peuvent utiliser jusqu’à 85 % de poudre de métal, ce qui explique que le poids de l’objet soit conséquent.

Filament Conducteur :

Il s’agit d’une réelle révolution car désormais nous pouvons même imprimer des objets qui conduisent l’électricité. Ce qui est quand même fou quand on y pense ! Ce phénomène est rendu possible grâce au fait que des ingénieurs ont ajouté des particules de carbone dans les filaments PLE et ABS et de ce fait les filaments sont rendus conducteurs. Bien entendu ce genre d’objet ne supporte pas de grosses tensions…

Filament Phosphorescent :

Ce filament est vraiment utile et pratique pour réaliser des objets brillants et s’illuminant dans la nuit. Pour cela il suffit de le laisser à la lumière du jour pour qu’il emmagasine la lumière et la restitue le soir. De plus une grande variété de couleurs est disponible. Là encore il s’agit d’un mélange de PLA ou ABS que l’on mélange à des matériaux phosphorescents.

Filament Magnétique :

Les filaments magnétiques sont composés de poudre de fer et permettent du coup de les aimanter. Les objets créés avec ce type de filament auront un aspect assez granuleux.

Filament à changement de couleur :

Ce sont des filaments qui changent tous simplement de couleur en fonction de la température. Ce filament étant de même composition que le PLA ou l’ABS, il dispose des mêmes caractéristiques.

Conclusion

Nous avons un bel ensemble de filaments, et comme vous l’avez constaté il y en a pour tous les gouts et toutes les couleurs. Chacun possédant leurs caractéristiques et leurs propriétés permettant de se démarquer les uns des autres. Vous aurez l’embarra du choix et vous pourrez grâce a eux imprimer tout ce dont vous avez besoin. Bien évidemment cette précédente liste n’est pas exhaustive et de nombreux autres matériaux existent comme la pierre, la céramique, la terre cuite, la fibre de carbone, la Hips, le PC-ABS, le PVA, la cire …. Vous l’aurez compris il y a de quoi faire. En revanche lorsque vous achetez des bobines de filaments veillez a choisir des filaments de bonnes marques même si c’est dernier sont parfois un peu plus chère la qualité d’impression sera amplement meilleur et la simplicité d’impression sera au rendez-vous. Ne négligez pas la qualité des filaments, car votre rendu ne sera pas a la hauteur de vos attentes et vous devrez repasser dessus. Les prix moyens des bobines ne sont pas exorbitant, en moyenne une bobine de bonne qualité pour un filament classique sera aux alentours de 20 a 25 euros pour une bobine de 750g ou 1kg. Donc avec une bobine vous pourrez réaliser pas mal d’impression avec des objets assez volumineux.

J'éspère que cet article vous aura aidé à mieux comprendre les concepts de base des imprimantes 3D. Au cours de cet article, nous avons vraiment vu les notions de bases ainsi que les logiciels que vous pouvez utiliser pour commencer. Il vous faudra du temps afin de maitriser pleinement les logiciels de modélisation ainsi que les logiciels d'impression mais c'est en pratiquant que vous améliorerez vos impressions ainsi que la modélisation de vos objets. N'hésitez pas a essayer plusieurs filaments ainsi que plusieurs températures de chauffe de la buse et du plateau afin de trouver les réglages qui vous correspondent et qui correspondent également à votre machine.

Sources

https://www.sculpteo.com/fr/tutoriel/

https://www.formation-3d-france.com/solidworks-loutil-ideal-pour-limpression-3d/

https://tpeinfographie3d.wordpress.com/i-les-principes-de-base-de-linfographie-3d/a-1-le-mesh/

http://artemis.art.free.fr/index.php/mesh-les-fondamentaux

https://all3dp.com/fr/1/logiciel-modelisation-3d-design-3d-cao-3d-gratuit/

https://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A9lisation_tridimensionnelle

https://all3dp.com/2/fusion-360-vs-solidworks-cad-software-compared-side-by-side/

https://lv-3d.fr/differents-type-de-filaments

https://all3dp.com/fr/1/filament-3d-fil-imprimante-3d-pla-abs/

https://www.reviversoft.com/fr/file-extensions/stl

http://www.cadindus.fr/prototypage-3d/domaines-d-application.html

https://master-iesc-angers.com/limprimante-3d-dans-le-domaine-medical/

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