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Points de comparaison d’une buse d’imprimante 3d

comparaison des différents types de buses d'imprimantes 3D
Différents types de buses d’imprimantes 3D

Avant de commencer

Cet article à pour but d’explorer les caractéristique d’une buse d’imprimante 3D, ses comportements lors des impression et les différences entre les modèles.

il se veut non exhaustif, et ne prétend pas aborder tous les points existant (ils sont nombreux)

Nous essayerons cependant d’aborder le maximums de points possible afin d’avoir une vue d’ensemble la plus complète possible.


Des buses avec beaucoup de caractéristiques

Les buses d’imprimantes 3D sont disponibles sous différentes formes, longueurs et matériaux.

On pourra citer rapidement:

  • Diamètre des buses
  • Forme des buses
  • Longueur des buses
  • Longueur des filetages
  • Matériaux
  • Bi-matériaux (rubis)?

Ce sont autant de paramètres qui impactent la qualité de nos impressions

La longueur Compte!

Dans ce domaine, la longueur compte et peut avoir son importance!

Dans cette partie on distinguera

  • La longueur et le type des pointes des buses
  • La longueur du corps (souvent hexagonale)
  • la longueur du filetage

En effet en comparant un panel de buses différentes on se rend compte que chaque modèle à des caractéristiques différentes

Sur la photo suivante, les buses ont été photographiées côte à côte sur une même surface (pas de montage). On prend comme référence la ligne pointillée au centre de la photo. Cela permet de se rendre compte de la différence de hauteur de la partie supérieure des buses. On notera également la différence de masse et de géométrie.

Pointe courte contre pointe longue

comparaison des corps de buses d'imprimantes 3D
Comparaison des tailles de corps de buses d’impression 3D

Pointes courtes

  • Pertes thermiques réduites (Surface d’échange thermique réduite)
  • (potentiel) Meilleur contrôle thermique  car la sortie de la buse est au plus prêt du bloc de chauffe.
  • Buses plus compactes, augmente légèrement la hauteur max d’impression
  • Réduit légèrement les erreurs de positionnement

Pointes longues

  • Distance parcourue dans le corps de la buse quasiment double
  • Potentiel perte calorifique plus importantes
  • Inertie thermique plus importante

Superposition dimensionnelle

Qu’arrive-t-il si on supposer 2 buses et qu’on compare la répartition volumique entre les modèles?

comparaison dimensionnelle entre 2 buses
Comparaison dimensionnelle entre 2 buses courtes. L’une conique, l’autre semi conique.

Code couleur:

  • En bleu la partie commune entre les 2 modèles
  • En vert le surplus de matière de la buse conique
  • En rouge le surplus de matière de la buse semi conique

A gauche on aligne les 2 buses au niveau de la pointe

A droite on aligne les 2 buses par la base hexagonale

On constate que:

  • La buse de droite possède une zone filetée plus importante (quasiment le double)
  • Les 2 buses possèdent une zone de contacte potentiel avec le bloc chauffant équivalent
  • A droite, la matière doit parcourir 2 fois moins de distance avant de sortir de la buse

En conclusion

En conclusion,  si on regarde l’aspect thermique, à montage équivalent (contre le bloc chauffant), on peut dire  :

  • La buse de droite possède une zone de chauffe quasiment 2 fois plus importante
  • La température du filament en sortie de buse devrait en effet être au plus prêt de celle du bloc chauffant

comparaison dimensionnelle entre 2 buses d'imprimante 3d
Comparaison dimensionnelle entre une grosse buse conique et une buse semi conique
comparaison de la surface de contact entre 2 buses d'imprimante 3d et le bloc chauffant
Différence de surface de contacte entre les 2 modèles de buses

Autre comparaison similaire entre la buse conique plus massive et la buse semi conique précédente

On constate que:

  • La longueur du filetage des 2 buses est équivalente (photo gauche)
  • La zone plate de contact à la base su corps de la buse, est quasiment 2 fois plus importante sur la buse conique (photo gauche)
  • Le distance de sortie de la matière est 2 fois plus courte sur la buse semi conique (photo gauche)
  • Le volume de matière de la buse conique semble 2 à 3 fois plus importante (photo droite)
  • La pointe du cône de la grosse buse semble légèrement plus massif / large (photo gauche)
  • La forme profilée plus aérodynamique de la buse conique semble faciliter le passage des flux d’air.
  • L’inertie thermique de la grosse buse conique parait 2 à 3 fois plus importantes que l’autre modèle

En conclusion

  • Le profile plus aérodynamique de la buse , couplé avec une inertie thermique plus importante, propose des performances thermique assez équivalentes entre les 2 modèles

Filetage long contre court

Sur l’image qui suit, on se propose de comparer la longueur du filetage (M6)

Les 4 buses à gauche sont destinées à être monté sur des blocs de chauffe standard de type E3D V6 (voir plus bas)

Les 2 buses à droite sont destinées à être monté sur des blocs de chauffes allongés de type E3D Volcano

comparaison des longueur des filetages des buses d'imprimante 3d
Comparaison de la taille du filetage des buses d’impression 3D

Impacte thermique de la taille du filetage

comparaison de la zone de fusion des buses d'imprimante 3d
A gauche une buse standard, à droite une buse de type volcano

A gauche sur le photo le bloc de chauffe et la cartouche chauffante sont montés horizontalement

On constate que ce design possède une zone relativement réduite, de quelques mm, sur laquelle le filament doit atteindre sa température de fusion avant de sortir de la tête.

Montage souvent utilisé pour des buses de diamètre inférieur à 0.8mm

A droite le bloc de chauffe et la cartouche chauffante sont montés verticalement.

Le filament à peut fondre sur le double de la distance, ce qui permet des débits de matière plus importants.

La température de sortie est plus homogène.

La matière sera également plus fluide en sortie de buse.

Montage souvent utilisé pour des buses supérieures à 0.6mm

On en peut en proposer les observations suivantes:

Les buses à filetage court

  • Faible zone de mise en fusion
  • Débit de matière maximum limité
  • Diamètre de buse maximale utilisable: 0.8mm

Les buses à filetage long

  • Zone de mise en fusion au moins 2 fois plus longue
  • Débit de matière maximum grandement augmenté
  • Idéal pour des débits de matière importants
  • Idéal pour des diamètres de buses supérieures à 0.6mm

Le profile

On trouvera au moins 2 types de profiles de corps de buse

  • un profile « conique »
  • un profile « semi conique »
zones d'accumulation de matière en fonction de la géométrie de la buse d'imprimante 3D

Les buses conique

  • Possèdent un  cône qui part du plus prêt de la sortie de la buse jusqu’à la partie hexagonale du corps de la buse
  • Souvent en contact directe avec le bloc de chauffe
  • Corps de buses plus massif que les buses semi conique
  • Maintient mieux la chaleur à l’intérieure de la buse
  • Possèdent une inertie thermique plus élevée
  • Nombre de points d’accumulation de matière plus réduit
  • Position du point d’accumulation de matière plus haut

Les buses semi conique

  • Possèdent un cône qui part du plus prêt de la sortie de la buse jusqu’à la partie hexagonale du corps de la buse.
  • Buses souvent plus courtes que les versions conique
  • La surface de contact avec corps le bloc chauffant est souvent réduit (peut être détachée du corps de chauffe avec un léger jour)
  • Faible inertie thermique
  • Un volume du cône réduit (les calories peuvent vites se perdre sous une ventilation)
  • Forte dispersion thermique (masse plus réduite et contact réduit avec le corps de chauffe)
  • angle droit entre le cône et la partie hexagonale
  • multiples points d’accumulation de matière
  • Position des points d’accumulation très proche de la zone d’impression

Le type de pointes

On trouvera également plusieurs types de pointes

  • Les pointes « fines »
  • Les pointes « larges »
comparaison des pointes de buses d'imprimante 3d
A gauche une pointe « large », à droite une buse « fine »
principe de largeur d'extrusion et hauteur de couches

Les pointes « larges« 

  • relativement répandues car elles correspondent aux buses installées sur les tête chauffante E3D lite6 et E3D V6
  • lorsqu’elles sont montées perpendiculaire au plateau, elle permettent des couches plus épaisses
  • Transfèrent plus de chaleur à la pièce imprimée, ce qui peut engendrer des déformations thermique sur les parois fines
  • nécessite un Z-Hop plus important
  • Elles nettoient plus facilement les blobs existant

Les buses « fines »

  • souvent installées sur des têtes chauffantes chinoises
  • réduisent les échanges thermique non voulues entre la surface de la buse et la pièce imprimée
  • offre une vue plus dégagée de la pièce imprimée
  • Potentiellement plus fragile, car les parois interne sont plus fines
  • peut nécessiter une calibration d’extrudeur plus précise afin d’éviter les bavures
  • Approprié pour des tailles de buses inférieure à 0.6mm

La dépose du filament

dépot de filament en fonction de l'inclinaison des buses d'imprimante 3d

Les pointes fines

  • Inclinaison de la buse lors de l’impression possible
  • Le degré d’inclinaison peut être important
  • Utilisable sur des machines possédant plus de 3 axes avec des têtes chauffantes orientables
  • Largeur d’extrusion limitée à la largeur de buse
  • Hauteur de couche max limitée (faible capacité à aplatir la matière)
  • Plus facile à nettoyer

Les pointes larges

  • Capacité plus importante à aplatir la matière
  • Largeur d’extrusion plus importante
  • Nécessite d’être montée le plus perpendiculaire à la surface d’impression possible

Le montage des buses sur le bloc chauffant

Les buses peuvent se monter principalement de 2 manière:

  • collée contre le bloc de chauffe
  • avec un espacement de 1 à 2 mm
installation des buses d'imprimantes 3d sur le bloc chauffant
2 styles de montage de la buse sur le bloc chauffant

A gauche, on conserve un peu de marge pour le serrage mais on diminue les échanges thermique entre la buse et le bloc de chauffe.

A droite on privilégie une meilleure liaison thermique entre la buse et le bloc de chauffe. Il faudra ajuster la position du heatbreak afin de garantie une bonne étanchéité. Ce type de montage peut causer des fuites si le heatbreak n’est pas correctement en contact avec la buse!

Les matériaux

Conductivité thermique des matériaux

(cf Wikipédia)
La conductivité thermique ou conductibilité thermique


La conductivité thermique ou conductibilité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction. Notée λ ou K voire k, cette grandeur apparaît notamment dans la loi de Fourier (voir Conduction thermique). Elle représente l’énergie (quantité de chaleur) transférée par unité de surface et de temps sous un gradient de température de 1 kelvin ou 1 degré Celsius par mètre.

Regardons la liste des conductivités thermique (cf Wikipédia) des matériaux trouvé principalement sur les buses d’impression 3D.

Ici la fonte, l’OR, le Cuivre et le diamant sont donnés à des fins de comparaison. A noter également que certains alliages peuvent avoir des conductivités thermiques différentes. Les valeurs données ici sont fournies à titre indicatives uniquement.

MatériauxConductivité Thermique (W m-1)
Céramiques2-200
Titane (alliage)
5.8
Titane pur15.6 – 21.9
Inox 16.3
Rubis35 – 40 (w.m-1.k-1)
Acier36-54
Fonte55
Laiton (Cu 63-70%) 109 – 125
Tungstène174 (w.m-1.k-1)
Or
317
Cuivre 390
Argent 418
Diamant (impur)1000
  • Les buses en alliage titane et en inox sont les plus isolantes thermiquement et conservent donc mieux les calories (comme la fonte)
  • Les buses en laiton  dissipent 18 à 20 fois plus la chaleur

Dureté des matériaux

Le tableau suivant donne l’indice de dureté des matériaux cité précédemment. Certains matériaux cité si dessous sont des alliages, leur indice peut donc varié en fonction des constituants de l’alliage.

MatériauxIndice de dureté
Diamant10
Rubis9
Céramique8.5
tungstène7.5
Titane6
Acier5-8.5
Inox(environ) 5
Fonte4-5
Laiton3-4
Argent2.5-7
Or2.5-3
Cuivre2.5-3

On pourra extraire du tableau des informations suivantes

  • Les buses Rubis et céramique sont parmi les plus dur du marché
  • Les buses en laiton sont parmi les moins dur du marché
  • L’acier durcie est plus dur que l’inox

L’influence des filaments abrasifs sur le diamètre des buses

usure d'une buse d'imprimante 3d avec du filament abrasif

A gauche une buse usée par l’abrasion d’un filament,  a droite une buse neuve.
impacte des matériaux sur la durée de vie à l'abrasion des buses d'imprimante 3d
Une comparaison de buses de différente dureté face à du filament chargé carbone

Les images parlent d’elles même, face aux filaments abrasifs, la durée de vie des buses dépend de leur dureté.

Résumé des principaux matériaux utilisés pour les buses

MatériauxDuretéConductivité
Thermique
Prix
Rubis935-4096€
Tungstène7.517435€
Acier durci5-8.536-5423€
Titane (alliage)65.810€
Inox516.38€
Laiton3-4109-1254€

sources:

Montage de la tête E3D V6 Metal

Liste des pièces

  • 1 bloc de chauffe
  • 1 barrière thermique inox
  • 1 buse en laiton
  • 1 radiateur aluminium
  • 1 thermistor (100K Semitec 104GT2)
  • 1 cartouche chauffante 12V 40W
  • 1 ventilateur 12V 30x30x10mm
  • 1 gaine en fibre de verre haute température (pour le thermistor)
  • 2 ferrules
  • 1 vis M3x3mm
  • 1 rondelle M3
  • 1 vis M3x10
  • 1 tube PTFE 80cm

Montage de la buse:

  • Insérez la buse dans le bloc chauffant , avec la tête hexagonale le plus près possible du plus petit trou latéral servant au thermistor.
  • Serrez très légèrement à fond la buse sur le bloc de chauffe, puis dé vissez la de 1/4 à 1/2 tour.

 

 


  • Maintenant vissez le canon/la  barrière thermique dans le même trou que celui de la buse.
    Vous devez la serrez jusqu’à arriver en buté sur la buse.

 

 

 


  • Prenez 2 clés à molettes ou 2 clés plates de la bonne taille puis serrez très légèrement.
    Attention: veillé à serrer très légèrement, car le pas de vis est très fragile. De plus le serrage final se fera plus tard une fois la tête chauffante à haute température.

 

 


 

Assemblage du thermistor:

  • Saisissez-vous de la gaine bleu en fibre de verre.
  • Coupez-la en 2 longueurs de 35mm.
  • Insérez les sur les pattes du thermistor.
    Attention: Les pattes du thermistor sont très fragiles!

 

 

 


  • Prenez le thermistor entre vos 2 doigts et pliez le à 90° sur une longueur d’environ 5mm à partir de la tête du thermistor.

 

 

 

 


  • Placez le thermistor dans le petit trou situé dans le coin proche de la buse.
  • Préparez la vis M3x4mm et sa rondelle, et amorcez la dans le trou situé juste à côté de celui dédié au thermistor.
  • Faites en sorte que les pattes du thermistor sortent de chaque côté de la vis de fixation comme sur la photo.
    Note: Vérifiez aussi que la gaine en fibre de verre est toujours enfilé jusqu’au bout du thermistor, et que les pattes du thermistor ne se touchent pas.

Serrez la vis de fixation afin d’écraser la gaine en fibre de verre et de maintenir le thermistor.

 

 

 

 


Voici une vue de face du montage une fois réalisé.

  • Vérifiez que la gaine bleu isole bien les pattes du thermistor jusqu’à sa tête.
    Si les pattes du thermistor sont en contact électrique avec le bloc de chauffe, la lecture de la température du thermistor peu s’avérer incorrecte, induisant un risque de surchauffe et de destruction de la tête chauffante,

 


 

Insertion de la cartouche chauffante :

  • Insérez la cartouche chauffante en vous assurant que les fils se situent du même côté que ceux du thermistor.
  • Centrez la cartouche chauffante au milieu du bloc de chauffe.

 

 

 


  • Insérez la vis M3X10 dans le trou permettant de serrer la cartouche chauffante sur le bloc de chauffe.
  • Vissez la jusqu’à ce que le bloc de chauffe se déforme légèrement afin d’assurer un contact thermique maximal et que la cartouche chauffante soit bien retenue.

 

 

 


 

Raccordement du thermistor :

  • Dénudez le bout des fils rouge et noir et insérez un bout de gaine thermorétractable autour de chaque terminaison de fil.

 

 

 

 


  • Placez la férule au bout de chaque patte du thermistor.
    Si vous placez la partie la plus large de la férule comme sur la photo, cela vous facilitera la tache pour les étapes suivantes.
  • Entrecroisez les terminaisons de fils du thermistor avec les fils noir et rouge afin d’effectuer un contact électrique.

 

 


  • Maintenant, glissez doucement la férule vers le câble rouge de manière à placer la férule au milieu du contact récemment créé.

 

 

 

 

 


  • A l’aide d’une pince plate, écrasez la férule, afin de sceller le contact électrique du fil et du thermistor.
  • Effectuez la même opération pour le fil noir et le deuxième fil du thermistor.

 

 

 

 


  • Ramenez maintenant les gaines thermorétractables au dessus des férules.
  • Vous pouvez utiliser un briquet, une allumette ou un fer à souder afin réduire la gaine thermorétractable.
    Cette dernière à pour but d’isoler électriquement la connexion du thermistor avec les rallonges de fil rouge et noir.

 

 


 

Assemblage du radiateur :

  • Munissez-vous du radiateur, et vissez la tête sur le radiateur en prenant soins de maintenir la tête par le bloc chauffant d’une main, et le radiateur de l’autre main.
    Un serrage léger à la main suffit. Ne serrez pas trop!

 

 


 

Étape finale :

  • Prenez le tube en PTFE et glissez le plus profondément possible dans le radiateur de la tête chauffante!

 

 

 

 

Photos sous licence Creative Commons 3.0

Source : http://wiki.e3d-online.com/wiki/E3D-v6_Assembly