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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:

Installation de la tête (E3D V6)

Cette page est dédiée à Installation de la tête chauffante E3D

Liste des pièces :

  • 1 tête monté (ici E3D V6)
  • 1 sonde à inductance
  • 4 vis à plastique auto foreuses (livrés avec la tête chauffante)
  • 1 ventilateur livré avec la tête chauffante
  • 4 vis M3X20 thermoplastique
  • 3 vis M3x8
  • 1 couple de pièce plastique pour supporté la tête chauffante (ici avec le marquage E3DI et E3DII)
  • (non fourni) 1 tourne vis

Update:

Depuis Septembre 2016 vous devriez avoir une version modifié du support de tête chauffante.

Ce support ré-utilise le clips de fixation d’origine de la tête chauffante.

La fixation sur le châssis est similaire à la procédure décrire ci-après.

Prenez soins de bien positionner le clips bleu de telle manière que la partie mise en valeur par la flèche rouge soit positionnée vers le bas

Les photos suivantes devraient vous donner plus de détails sur l’assemblage.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Installation de la tête E3D V6 sur le chariot

Chariot de l'axe des X

Chariot de l’axe des X

Le but ici est de fixer le bloque de tête chauffante sur le chariot de l’axe des X.

 

 

 

 

 

 

 

 


Prenez le tourne vis et la pièce plastique avec le marquage « E3DII« .

Cette pièce fait la liaison entre le chariot de l’axe X et la tête chauffante.

Elle contient une demi empreinte de la tête afin de la maintenir en place correctement.

 

Fixation du bloque de base du support de tête chauffanteSur les nouvelles pièces le marquage n’apparaît plus.

Votre pièce devrait ressembler à celle là.

 

 

 

 


 

Le Chariot d’axe X possède plusieurs rangée de trous.

Ces trous servent à fixer la pièce précédente. En fonction de la hauteur de votre tête chauffante, vous aurez la possibilité d’utiliser une position de trou différente pour relever cette dernière de quelques millimètre.

Dans notre cas nous utiliserons les trous les plus à l’extérieur de la ligne du bas. La photo vous montre le premier trou à utiliser.

 


 

La photo ici vous montre le deuxième trou à utiliser pour fixer le support de tête.

 

 

 

 


Fixation du bloque de base du support de tête chauffante

Insérez 2 vis M3X20 thermoplastique dans les trous latérales à l’empreinte de maintien de la tête chauffante.

1 vis M3x8mm thermoplastique vient renforcer la fixation en haut du bloque

 

 

 

Fixation du bloque de base du support de tête chauffante

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Un fois le bloque de maintien de tête vissé, vous pouvez placer la tête chauffante dans l’empreinte.

Notez la position du bloc de chauffe à la base de la tête chauffante. Le ventilateur auxiliaire à pour but dans le cas d’utilisation de PLA, de refroidir le plastic juste en sortie de tête chauffante. Positionner la tête chauffante comme sur la photo permet au ventilateur de perturber le moins possible le bloque de chauffe.

 


 

Prenez maintenant le support de sonde à inductance.

 

 

 

Notez que sur les versions récentes le support de sonde à été déporté sur la pièce monté précédemment.

 

 

Comme précédemment, commencez à amorcer les 2 vis M3x20 Thermo à l’intérieur des trous prévus à cet effet. La photo vous indique ou les trouver.

Hot end clampIci une image correspondant a la nouvelle pièce fournie, beaucoup plus compacte

 

 

 

 

 

 

 


 

Assemblage du bloque de tête chauffante

Assemblage du bloque de tête chauffante

Avec le nouveau modèle le support de tête vient maintenir la tête chauffante dans son logement

 

 

 

 

 

 

Installation de la têteLe montage une fois réalisé

 

 

 

 

 

 

PDF 3D: Assemblage final de la tête chauffante dans son support.

 

Update:

Vous pouvez passer à l’étape d’installation du support de turbine si vous avez le nouveau support de tête.

 

 


Placez ce support par dessus le tête chauffante sans toucher aux vis!

Positionnez à présent le ventilateur (ici 40mm) sur le côté droit du montage.

Prenez 4 vis M3x16mm et amorcez les juste suffisamment pour que ce dernier reste en place.

 

 


De face le montage devrait ressembler à la photo.

Aucune vis n’est encore serré à ce stade.

Le ventilateur va positionner correctement le support de sonde à inductance.

Si vous serrez tout d’abord le support de sonde, les trous utilisés par le ventilateur risquent de ne plus être en face des vis.

 

 


une fois que vous avez contrôlé que tout semble aligné, terminez de visser le ventilateur sur ses 2 supports.

Notez que les vis du support de sonde à inductance ne sont toujours pas vissé à fond.

 

 


Maintenant vous pouvez serrer les vis du support de sonde.

En principe, la vis de gauche devrait pouvoir être visser un peu plus loin que celle de droite et assurer ainsi que la tête est bien maintenue.

 

 


Prenez maintenant le support plastique de ventilateur à turbine ainsi que 2 vis M3x8mm (les plus courtes)

Cette pièce permet de maintenir le ventilateur auxiliaire de manière verticale, et aussi de diriger le flux d’air vers la sortie de la buse chauffante.

 

 


Ici pareil amorcez les vis jusqu’à arrivé à fleur de la paroi opposée

Les trous utilisé ici sont les avant dernier de chaque rangé.

Le design de ce support vous permet de régler la hauteur du flux d’air en fonction de la hauteur de votre tête chauffante.

Cela permet un positionnement plus facile à l’étape suivante lorsqu’on va visser ce support.

 

 

 

 


Ici on vous montre les trous à utiliser.

Ce sont les deux trous juste en dessous de ceux utilisés pour fixer le support de sonde à inductance.

Sur la photo, le deuxième trou à utiliser

 

 

 

 

 

 

 


Maintenant positionnez le support de ventilateur en face de ces trous et terminez la fixation.

Ici pareil on effectue un serrage dans du plastique donc allez y doucement quand vous serrez.

 

 


Vue de profile le montage ressemble à celui de la photo.

 

 

 

 

 


Vue de dessous la sortie de ventilation doit pointer vers la sortie de la tête chauffante.

 

 

 

 

 


La touche finale maintenant, prenez le ventilateur turbine

 

 

 

 

 


Déroulez le fil.

 

 

 

 

 


Placez ce dernier sur le support avec la sortie vers le bas comme montré sur la photo.

Vous noterez en haut du support la présence de 2 trous légèrement décalés.

Placez le ventilateur tel que le trou de fixation soit le plus aligné possible sur l’un des deux trous. Peu importe lequel vous choisissez.

 

 


Utilisez la dernière vis M4x20 (la plus grosse) pour fixer le ventilateur.

Ici nous avons choisi le trou de fixation le plus haut.

 

 

 


Une fois le ventilateur en place, le montage devrait ressembler à la photo.

 

 

 

 

 


La sonde à inductance vient en dernier.

 

 

 

 

 


Dévissez l’écrou qui se trouve à l’extrémité de la sonde et sortez également 1 des 2 rondelles auto bloquantes.

Profitez-en pour remonter l’écrou et la rondelle de manière à ce que ces derniers arrivent un peut plus haut que la moitié du filetage de la sonde.

 

 

 


Insérez la sonde dans le dernier logement situé à gauche du support de sonde.

 

 

 

 

 


Essayez de positionner l’extrémité bleu de la sonde légèrement un peu plus haut que la buse chauffante. Nous réglerons la hauteur de la sonde dans une étape postérieure lors du paramétrage de l’électronique.

 

 

 

 


Vous pouvez à présent replacer la rondelle auto bloquante et son écrou pour terminer le montage.

 

 

 

 

 


Pour terminer vous pouvez insérer le tube PTFE dans le connecteur pneumatique

Vue de haut le montage ressemble à la photo.

 

 

 

Mise en place du ventilateur de refroidissement

Liste des pièces :

  • 2 vis M3X25mm
  • 4 rondelles M3
  • 2 écrous M3
  • 1 ventilateur à compression
  • 1 support de ventilateur compatible GoPro
  • 1 soufflet pour ventilateur à compression

Prenez 1 vis 1 écrou et 2 rondelles ainsi que le support de ventilateur.

 

 

 

 

 


 

Fixez le support de ventilateur sur le trou du ventilateur qui se trouve juste à côté du câble d’alimentation du ventilateur.

Assemblez comme suite: Vis-Rondelles trou–Rondelle – écrous.

 

 

 


La photo vous montre ici l’autre côté du ventilateur au niveau du couple rondelle écrou.

 

 

 

 


Placez tout le montage sur le support compatible au niveau du bloque de tête chauffante. La photo vous montre comment le monter.

 

 

 


Sécurisez l’accroche en utilisant les éléments de fixation restant (Vis M3x25, rondelles et écrou).

Peu importe le sens de la tête de vis.

 

 

 


A présent serrez l’ensemble suffisamment pour que vous puissiez faire pivoter le ventilateur et que ce dernier reste en place.

 

 

 

 


Installez le soufflet du ventilateur comme sur la photo. Ce dernier à pour bus de refroidir et solidifier le plastique qui vient juste d’être imprimé. Il vous sera très utile lorsque vous imprimerez du PLA.

 

 

 


 

Maintenant faites pivoter le bloque et ajustez le bout du soufflet de tel manière que l’air expulsé refroidisse la base de la buse chauffante.

Attention: Si vous l’orientez trop vers le haut, le ventilateur empêchera votre tête chauffante de chauffer et de faire fondre suffisamment le plastique.