L'impression 3D

Expliquer avec vos propres mots comment fabrique une imprimante 3D à filament : d'où vient la matière, comment elle est déposée et pourquoi on dit qu'elle construit « couche par couche ». La comparer à la sculpture d'une figure dans un bloc de bois : quelle est la différence fondamentale entre ajouter et enlever de la matière ?

La figure montre le déroulement complet de l'idée à la pièce imprimée, mais l'étape centrale est masquée.

Expliquer ce qui se passe à l'étape masquée — le « tranchage » — : que fait le logiciel de tranchage avec le modèle (le découper en fines couches) et quel fichier génère-t-il pour l'imprimante. Expliquer pourquoi on ne peut pas connecter directement le modèle 3D à l'imprimante sans cette étape.

Ces étapes du processus d'impression sont dans le désordre : (a) charger le fichier dans l'imprimante et lancer l'impression, (b) exporter le modèle en STL, (c) concevoir la pièce dans le logiciel de CAO, (d) ouvrir le STL dans le logiciel de tranchage, choisir la hauteur de couche et générer le G-code, (e) attendre que la pièce refroidisse et la retirer du plateau. Les remettre dans l'ordre et expliquer ce qui se passerait mal si l'on sautait l'étape (d).

Le matériau le plus utilisé dans les imprimantes de la salle est le filament PLA, une bobine de « fil » de plastique. Expliquer ce qui arrive à ce filament dans l'imprimante (il fond, se dépose et se solidifie) et citer deux raisons pour lesquelles le PLA est le matériau préféré dans les établissements scolaires.

Avant l'impression, le modèle est enregistré dans un fichier appelé STL. Expliquer ce que, selon vous, contient ce fichier (la description de la surface de la pièce au moyen de petits triangles) et pourquoi ce fichier convient à n'importe quelle imprimante, quelle que soit sa marque.

Le logiciel de tranchage génère un fichier contenant les ordres exacts pour l'imprimante, appelé G-code. Sans entrer dans le code, expliquer quel type d'ordres il contient selon vous : que dit-il à l'imprimante sur les déplacements de la tête, la température et la quantité de filament qui doit sortir à chaque instant ?

Quand on ouvre un fichier G-code, on voit des milliers de lignes avec des coordonnées et des températures. Sans connaître le langage, expliquer quelle information doit se répéter dans ces lignes (où se déplace la tête et quelle quantité de matière elle extrude) et expliquer pourquoi une petite erreur dans les premières lignes (par exemple, la hauteur initiale) peut ruiner toute la pièce.

La figure montre une pièce conique vue de côté, telle qu'elle est construite par couches de filament.

Expliquer, en observant la figure, comment la pièce a été construite couche par couche, pourquoi les côtés courbes ressemblent à un escalier de marches et ce qu'il arriverait à ces marches si l'on imprimait avec des couches de $0,1\ \text{mm}$ au lieu de $0,2\ \text{mm}$ (et ce que l'on paierait en contrepartie).

Le logiciel de tranchage permet de choisir la hauteur de couche : $0,3\ \text{mm}$ (brouillon) ou $0,1\ \text{mm}$ (qualité fine). Une pièce de $30\ \text{mm}$ de haut nécessite avec chaque réglage un nombre de couches différent : calculer combien de couches cela représente dans chaque cas et expliquer quel réglage vous choisiriez pour (a) un prototype rapide pour tester la taille et (b) la pièce finale d'un cadeau.

Les pièces imprimées ne sont pas pleines : à l'intérieur, elles comportent un maillage appelé remplissage (infill), par exemple à $20\ \%$. Expliquer l'avantage d'imprimer ainsi (temps et filament économisés) et expliquer quel pourcentage de remplissage vous choisiriez pour (a) une figurine décorative et (b) un crochet qui doit supporter un sac à dos.

Citer trois objets du quotidien qu'il est pertinent d'imprimer en 3D dans un collège et expliquer à quoi sert chacun : penser aux pièces de rechange (un bouton cassé), au matériel de classe (un modèle de molécule) et aux objets personnalisés (un porte-clés à votre nom). Qu'ont en commun ces trois cas ?

L'impression 3D n'a rien de magique : une pièce de quelques centimètres peut prendre deux heures, la taille est limitée par le plateau de l'imprimante et les pièces sont moins résistantes que celles en plastique injecté. Expliquer chacune de ces trois limites et donner, pour chacune, un exemple d'objet que vous n'imprimeriez PAS.

L'imprimante de la salle fonctionne avec une buse très chaude et des pièces mobiles. Rédiger quatre règles de sécurité et de vie commune pour l'utiliser en classe : ce qu'il ne faut pas toucher pendant l'impression, qui retire la pièce et quand, ce que l'on fait des chutes de filament et pourquoi on ne laisse pas l'imprimante fonctionner sans surveillance.

La première couche est la plus importante : si elle n'adhère pas bien au plateau, la pièce se détache en cours d'impression et tout est gâché. Expliquer quelles astuces aident à l'adhérence (plateau chauffé, démarrage lent, ajout d'une « jupe » autour de la pièce) et ce que vous feriez si vous voyez un coin de la pièce commencer à se soulever.

Une figure avec les bras en croix ne peut pas être imprimée telle quelle : le filament ne tient pas en l'air. Expliquer ce que sont les supports, pourquoi la lettre T imprimée debout en a besoin aux extrémités et quelles deux stratégies permettent de les éviter (changer l'orientation de la pièce ou la diviser en deux parties que l'on colle ensuite).

Une impression a échoué : la pièce s'est décollée du plateau en cours de travail et il y a de fins fils de plastique entre les tours de la figure. Diagnostiquer la cause probable de chacun des deux défauts séparément et proposer une solution concrète pour chacun, en expliquant quel réglage du logiciel de tranchage ou de l'imprimante vous modifieriez.

Une pièce allongée avec une saillie peut être imprimée couchée ou debout. Analyser les deux orientations : dans laquelle les couches suivent la direction qui résiste le mieux à la flexion de la pièce, dans laquelle des supports sont nécessaires pour la saillie, et choisir l'orientation finale en argumentant entre résistance, supports et temps d'impression.

Vous avez conçu un pot à crayons avec des figures et des crochets qui dépassent horizontalement des bords. En tranchant le modèle, vous découvrez qu'il nécessite une grande quantité de supports, ce qui gâchera l'état de surface et augmentera beaucoup le temps d'impression. Proposer deux stratégies géométriques de reconception différentes pour que l'objet puisse être imprimé en FDM entièrement sans supports, et justifier techniquement pourquoi chacune de vos solutions évite que le filament tombe dans le vide.

Un porte-clés prend $40\ \text{min}$ et utilise $6\ \text{g}$ de filament. Calculer, avec de la proportionnalité simple : (a) combien de temps et de filament seront nécessaires pour les $25$ porte-clés de la classe et (b) combien de porte-clés on obtient, au maximum, d'une bobine de $1\ \text{kg}$ si l'on déduit $10\ \%$ de filament perdu en essais et en supports.

Pour le porte-clés de la classe, il y a deux options : l'imprimer en 3D ou le découper dans du bois avec la scie à chantourner. Comparer les deux procédés selon le temps par unité, la précision, les déchets produits et la possibilité de personnaliser chaque porte-clés avec un nom différent, et conclure sur celui que vous choisiriez pour $30$ unités personnalisées.

Un camarade affirme : « Dans quelques années, les usines traditionnelles fermeront parce qu'il sera moins cher pour chaque famille d'imprimer chez elle en 3D tout ce dont elle a besoin, des baskets à un téléphone ou une vaisselle ». Réfuter techniquement son affirmation en donnant trois limites de l'impression 3D domestique par rapport à la fabrication industrielle de masse, et défendre deux situations réelles où l'impression 3D est nettement supérieure à une usine.

Le bouton du sélecteur d'un four à micro-ondes s'est cassé. La pièce d'origine coûte $18\ \text{€}$, tandis qu'imprimer un double en PLA à l'atelier ne coûte que $0,50\ \text{€}$ de filament. Évaluer de façon critique la faisabilité de fabriquer cette pièce de rechange : analyser deux avantages clairs par rapport à l'achat de l'original, deux difficultés ou limites techniques réelles (mécaniques, thermiques ou de conception) qui peuvent faire échouer la pièce, et conclure en justifiant les conditions que doit réunir une pièce domestique pour que cela vaille la peine de fabriquer sa pièce de rechange à la maison.

Une bobine de PLA de $1\ \text{kg}$ coûte $22\ \text{€}$. Chaque pièce du projet pèse $12\ \text{g}$, mais il faut déduire $15\ \%$ de la bobine perdus entre purges, supports et pièces ratées. Calculer combien de pièces utilisables on obtient d'une bobine, combien coûte la matière de chaque pièce et combien de bobines il faut acheter pour toute l'année scolaire de $60$ pièces, avec le coût total.

Le collège veut créer un petit « atelier de fabrication numérique » avec une imprimante 3D partagée entre plusieurs classes. Concevoir son organisation : comment les travaux sont demandés et dans quel format les fichiers arrivent, qui vérifie que les pièces sont imprimables avant de les mettre en file d'attente, comment est réparti le coût du filament et quelle règle de délais évite que tout le monde imprime la veille de la date de remise.