Du modèle 3D à la pièce imprimée
Le workflow logiciel
La chaîne logicielle de l'impression 3D (modélisation, export, slicer, réglages, G-code) et les règles pour concevoir une pièce imprimable.
Pré-requis :
Cette page est la version rédigée et approfondie du cours. Les slides correspondantes : Partie 3 : le workflow, du modèle 3D à la pièce.
Une imprimante 3D ne comprend pas un modèle 3D : elle exécute une liste d’instructions de déplacement et de chauffe. Entre les deux, une chaîne de logiciels transforme une forme en trajets.
graph LR
A[Modèle 3D<br/>CAO, scan, bibliothèque] --> B[Export<br/>STL, 3MF]
B --> C[Slicer<br/>couches et réglages]
C --> D[G-code<br/>instructions]
D --> E[Imprimante]
style C fill:#ef2e31,stroke:#ef2e31,color:#ffffff
Le slicer est le pivot de la chaîne : c’est lui qui décide comment la matière sera déposée. Deux personnes qui impriment le même fichier avec des réglages différents obtiennent deux pièces différentes, en qualité, en solidité et en temps.
| Voie | Outil | Pour | Limite |
|---|---|---|---|
| Télécharger | Printables, Thingiverse, Cults, GrabCAD | Objet déjà conçu | Rarement à votre cote |
| Scanner | Scanner 3D, photogrammétrie | Copier un objet existant | Maillage à retoucher |
| Modéliser | Blender | Formes organiques | Imprécis en mécanique |
| Concevoir (CAO) | Onshape, Fusion, SolidWorks, FreeCAD | Pièces techniques cotées | Apprentissage |
| Coder | OpenSCAD | Pièces paramétriques | Programmation |
| Générer (IA) | Rodin | Concept rapide | Modèle à retravailler |
Pour une pièce de projet, qui doit s’assembler avec d’autres et respecter des cotes, la CAO est presque toujours la bonne voie.
Un modèle téléchargé reste l’œuvre de son auteur. La plupart sont publiés sous licence Creative Commons : vérifiez si elle autorise la modification (pas de mention ND) et l’usage commercial (pas de mention NC), et citez toujours l’auteur.
Un scanner 3D capture la forme d’un objet réel sous forme d’un nuage de points, puis d’un maillage. Trois techniques coexistent : la lumière structurée (un motif projeté se déforme sur l’objet), le laser (une ligne balaie la surface) et la photogrammétrie (un logiciel reconstruit le volume à partir de dizaines de photos prises sous tous les angles).
Le scan est précieux en rétro-conception (copier une pièce cassée, épouser une forme existante) et pour le sur-mesure (orthèses, prothèses). Ses limites :
Deux familles de logiciels produisent un modèle 3D, avec deux représentations différentes.
Onshape et Fusion sont gratuits pour les étudiants, FreeCAD est libre ; SolidWorks, Catia, Creo, Inventor et Siemens NX sont les références industrielles. Pour apprendre : l’atelier CAO et Installer Onshape.
OpenSCAD décrit une pièce par un script : des formes de base (cube, cylindre, sphère) combinées par des opérations booléennes (union, différence, intersection). C’est la géométrie de construction de solides (CSG).
largeur = 30;
difference() {
cube([largeur, 20, 10]);
translate([largeur/2, 10, -1])
cylinder(d = 8, h = 12);
}
Ce script crée un bloc de 30 × 20 × 10 mm percé d’un trou de 8 mm en son centre. Changer largeur régénère la pièce, et le trou reste centré. L’approche est idéale pour les pièces répétitives ou paramétriques (boîtiers à dimensions variables, engrenages), et le fichier texte se versionne avec Git. Elle est peu adaptée aux formes organiques.
Des outils comme Rodin génèrent un modèle 3D à partir d’un texte ou d’une image, en quelques minutes et sans compétence de modélisation. Le résultat convient pour un concept ou un objet décoratif, mais les détails sont souvent imparfaits, le maillage n’est pas coté et doit presque toujours être retravaillé. La qualité dépend beaucoup de la précision de la description.
| Format | Contient | Usage |
|---|---|---|
| STL | La géométrie seule, en triangles | Le plus universel |
| OBJ | Géométrie, couleurs, textures | Modèles multicolores |
| 3MF | Géométrie, unités, couleurs, matériaux, réglages d’impression | Projet complet, format moderne |
| STEP | Géométrie exacte (solide CAO) | Échange entre logiciels de CAO |
Le STL décrit la surface de la pièce comme un ensemble de triangles. À l’export, le logiciel de CAO approxime donc les surfaces courbes : un cylindre devient un prisme à nombreuses facettes. Si la tolérance d’export est trop grossière, les facettes se voient sur la pièce imprimée ; trop fine, le fichier devient énorme pour rien. Les réglages d’export (déviation, angle) se règlent dans le logiciel de CAO.
Trois pièges classiques :
Le 3MF (3D Manufacturing Format) est une archive qui contient la géométrie avec ses unités, les couleurs, les matériaux et même les réglages d’impression (orientation, hauteur de couche, supports). C’est un standard ouvert porté par le 3MF Consortium (Microsoft, Autodesk, Stratasys, Ultimaker…), adopté par Cura, PrusaSlicer, OrcaSlicer et Bambu Studio. Un fichier 3MF enregistré depuis le slicer permet de retrouver exactement le projet d’impression : c’est le format à préférer.
Le slicer convertit un modèle 3D (STL, 3MF, parfois STEP) en G-code :
L’aperçu couche par couche est l’outil le plus utile du slicer : on y voit, avant d’imprimer, un surplomb oublié, un détail trop fin qui disparaît ou un pont trop long.
| Slicer | Éditeur | Pour |
|---|---|---|
| OrcaSlicer | Communauté (fork de Bambu Studio) | Multimarque, open source |
| Bambu Studio | Bambu Lab | Imprimantes Bambu Lab |
| PrusaSlicer | Prusa Research | Multimarque, open source |
| Cura | UltiMaker | Multimarque, nombreux plugins |
| ChiTuBox, Lychee | Imprimantes résine |
Trois d’entre eux ont un ancêtre commun : Slic3r a donné PrusaSlicer, dont Bambu Studio est un fork, dont OrcaSlicer est lui-même un fork. Leurs interfaces se ressemblent donc beaucoup ; Cura a sa propre lignée. Au MakerSpace, les tutoriels utilisent OrcaSlicer : voir Impression 3D avec OrcaSlicer.
De haut en bas : OrcaSlicer, Bambu Studio, PrusaSlicer et Cura.
FullControl renverse la logique : il n’y a plus de modèle 3D à trancher. On décrit directement les trajets de la buse par programmation (en Python ou dans un configurateur en ligne), et FullControl écrit le G-code. On peut ainsi créer des structures impossibles à obtenir avec un slicer classique : treillis, objets mathématiques, parois d’un seul cordon ondulé, structures légères pour la recherche.
Les réglages servent trois objectifs, souvent contradictoires : la qualité (précision, finition), l’efficacité (temps et matière) et la fiabilité (la pièce tient sur le plateau jusqu’au bout). Les profils fournis par le fabricant de l’imprimante et du filament sont un bon point de départ ; on n’ajuste qu’un paramètre à la fois.
Plus on imprime vite, plus il faut chauffer : le filament passe moins de temps dans la buse. Une tour de température, qui imprime chaque étage à une température différente, permet de choisir la meilleure valeur pour une bobine donnée.
Le temps d’impression est à peu près inversement proportionnel à la hauteur de couche : passer de 0,2 à 0,1 mm double le nombre de couches et presque le temps. 0,2 mm convient à la plupart des pièces avec une buse de 0,4 mm.
Les couches créent un effet d’escalier sur les pentes douces et les dessus arrondis, d’autant plus visible que la couche est épaisse. Une surface verticale, elle, a le même aspect quelle que soit la hauteur de couche. D’où l’intérêt de la hauteur de couche variable, proposée par les slicers récents : fine sur les courbes, épaisse sur les parois droites.
La hauteur de couche ne doit pas dépasser environ 75 % du diamètre de buse, et la première couche est souvent un peu plus épaisse pour bien coller.
Avec une buse de 0,4 mm, un cordon fait environ 0,45 mm : trois périmètres donnent une paroi d’environ 1,35 mm. Une paroi dessinée en CAO avec une épaisseur qui n’est pas un multiple de la largeur du cordon laisse un vide ou un cordon de remplissage au milieu.
Les couches pleines ferment la pièce dessus et dessous. Il en faut en général 3 à 5, soit environ 0,8 à 1 mm d’épaisseur : en dessous, le remplissage se devine à travers la surface du dessus.
L’intérieur d’une pièce FDM n’est pas plein : un remplissage de 10 à 20 % suffit pour la plupart des pièces. La solidité d’une pièce vient surtout de ses parois : pour la renforcer, ajouter un ou deux périmètres est souvent plus efficace et plus rapide que doubler le remplissage. Le motif compte aussi : la grille et les lignes sont rapides, le gyroïde et le nid d’abeille répartissent mieux les efforts dans toutes les directions.
Chaque couche doit reposer sur la précédente. Un surplomb jusqu’à environ 45° par rapport à la verticale s’imprime seul, car chaque cordon s’appuie à moitié sur le précédent ; au-delà, il faut des supports, structures temporaires retirées après impression. Ils coûtent du temps et de la matière, et laissent des traces sur la face supportée.
Les slicers proposent des supports classiques (grille sous le surplomb) et des supports arborescents (tree), qui ne touchent la pièce qu’aux points nécessaires et se retirent plus facilement. La distance entre le support et la pièce (de l’ordre d’une hauteur de couche) règle le compromis entre une face propre et un support facile à enlever.
La première couche est la plus importante de toute l’impression : un plateau propre (dégraissé à l’alcool), bien nivelé et à la bonne température règle la plupart des décollements. Voir La pièce ne colle pas.
Un pont est un cordon tiré dans le vide entre deux appuis. Il tient si le plastique se fige avant de s’affaisser : le slicer ralentit et pousse le ventilateur au maximum sur les ponts. Le refroidissement dépend du matériau : le PLA aime un refroidissement fort, qui fige les détails et les surplombs ; l’ABS et l’ASA demandent un refroidissement faible, sinon les couches se décollent.
Une pièce bien dessinée s’imprime sans réglage compliqué. Les règles suivantes se décident dans le logiciel de CAO, pas dans le slicer. Elles sont détaillées, avec les cotes à respecter, dans Règles de conception et conseils.
Un surplomb à angle droit demande un support ; un chanfrein à 45° à la même place s’imprime seul. Un congé, lui, commence presque à l’horizontale et demande un support : sous un surplomb, on préfère le chanfrein. Voir Porte-à-faux.
La face posée contre le plateau est la plus lisse et la plus plane de la pièce ; une face imprimée sur des supports est irrégulière. On pose donc à plat la face qui doit être belle ou servir de référence, et l’on conçoit la pièce avec une grande face plane quand c’est possible.
Une pièce FDM casse entre deux couches (voir l’anisotropie). Pour une équerre dont on charge l’aile verticale, la version posée sur la tranche (à gauche) est bien plus solide : chaque couche contient tout le profil en L, et l’angle ne peut pas se décoller. Posée à plat (à droite), l’aile casse au ras de la base. On oriente la pièce pour que l’effort principal ne cherche pas à séparer les couches.
Une forme impossible à poser à plat (une sphère, une pièce en arche) peut être découpée en parties qui ont chacune une grande face plane, puis assemblées par collage, emboîtement ou vissage. Chaque partie s’imprime sans support et avec une meilleure surface.
Une pièce imprimée n’est jamais exactement à la cote : le cordon déborde légèrement, la matière se rétracte en refroidissant. Deux pièces dessinées à la même cote ne s’emboîtent donc pas. On prévoit un jeu, de l’ordre de 0,15 à 0,3 mm selon l’ajustement voulu, à valider par une pièce de test sur sa machine et son filament.
La couture, le point où chaque couche commence et finit, forme une petite bosse. À l’intérieur d’un trou, elle gêne l’emboîtement : une encoche dessinée dans le trou l’accueille. Voir Jeu et Pourquoi une pièce fabriquée n’est jamais exactement à la cote.
Un trou dont l’axe est horizontal (percé dans une paroi verticale) a son sommet en surplomb : il s’affaisse et sort ovale. Un trou dont l’axe est vertical (dans une face horizontale) sort bien rond. Quand le trou doit rester horizontal, on lui donne une forme de goutte d’eau : la pointe en haut s’imprime sans support. La forme du logo RepRap en est un clin d’œil. Les trous sortent aussi souvent un peu plus petits que prévu : pour un axe ou une vis, on les agrandit légèrement ou on les reprend au foret. Voir Trous horizontaux.
La buse ne peut pas tracer un trait plus fin que son cordon, environ 0,45 mm pour une buse de 0,4 mm. Un texte en relief, une nervure ou une paroi plus fins disparaissent ou s’impriment mal. On dessine les détails au moins aussi larges que le cordon, et les parois en multiples de sa largeur. Voir Taille des détails.
Le G-code est le langage des machines à commande numérique, né dans les années 1950 pour les fraiseuses et standardisé ensuite (ISO 6983). Chaque ligne est une commande : une lettre et un numéro, suivis de paramètres.
M140 S60 ; plateau à 60 °C, sans attendre
M104 S215 ; buse à 215 °C, sans attendre
M190 S60 ; attendre que le plateau soit à 60 °C
M109 S215 ; attendre que la buse soit à 215 °C
G28 ; retour à l'origine de tous les axes
G90 ; coordonnées absolues
M83 ; extrusion relative
G1 Z0.2 F1500 ; descendre à 0,2 mm
G1 X10 Y20 E0.8 F1800 ; aller en X10 Y20 en extrudant 0,8 mm de filament
M106 S255 ; ventilateur de pièce à fond
| Commande | Rôle |
|---|---|
G0, G1 |
Déplacement, sans ou avec extrusion (E), à la vitesse F en mm/min |
G28 |
Retour à l’origine (homing) |
G90, G91 |
Coordonnées absolues ou relatives |
M82, M83 |
Extrusion absolue ou relative |
M104, M109 |
Température de buse : régler, ou régler et attendre |
M140, M190 |
Température du plateau : régler, ou régler et attendre |
M106, M107 |
Ventilateur de pièce : allumer (S0 à S255), éteindre |
Les lettres G pilotent les mouvements, les lettres M les fonctions de la machine. Le G-code est interprété par le firmware de l’imprimante (Marlin, Klipper, ou les firmwares des fabricants), et chaque firmware ajoute ses propres commandes.
Un fichier G-code compte des centaines de milliers de lignes, presque toutes des G1. Le slicer y ajoute des commentaires (après ;) qui structurent le fichier : changement de couche, hauteur Z, numéro de couche sur le total, type de trajet. Le G-code de démarrage, au début du fichier, chauffe la machine, fait l’origine et le nivellement, puis trace une ligne de purge ; le G-code de fin éteint les chauffes et dégage la tête.
Illustrations reprises du support de cours Fabrication additive du MakerSpace (captures de slicers, de logiciels et de sites) ; sources détaillées à compléter.