Améliorations

Impression 3D et ventilation

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Dans ce document, nous nous intéressons uniquement aux imprimantes FDM (Fused Deposition Modeling) ou, si vous préférez, Dépôt de Filament Fondu (DFF).

Document réaliser par IcarePetibles
Version 1.1 – Pour le site www.ender5.fr

Tutoriel sur la réduction des bruits moteurs et ventilateurs disponible ICI

SOMMAIRE

Vous pouvez cliquez sur l’une des parties ci-dessous
Pour y accéder directement :

1. Introduction

La ventilation est un élément vital pour l’impression 3D. Elle protège nos imprimantes de la surchauffe de la hotend, elle refroidit le filament déposé et l’électronique. On trouvera entre 2 et 4 ventilateurs (quelque fois plus). On aura, principalement, les ventilateurs suivants :

  • Refroidissement de la hotend (soufflage),

  • Refroidissement du filament déposé (soufflage),

  • Refroidissement de l’électronique (aspiration et/ou soufflage),

  • Refroidissement de l’alimentation (aspiration et/ou soufflage).

Cela reste un gros sujet de débats sur les réseaux sociaux avec son lot d’incompréhensions, d’erreurs, d’inepties et autres errements.

2. Les ventilateurs

Il existe plusieurs grandes familles de ventilateurs mais ceux qui nous intéressent, en impression 3D, sont les technologies axiales ou hélicoïdales. Les ventilateurs radiaux ou centrifuges feront l’objet d’un complément à ce document.

2.1. Principe

Un ventilateur est composé de trois parties, le distributeur, le diffuseur et l’hélice. Pour faire simple, le distributeur correspond à la partie arrière du ventilateur (entrée d’air) et le diffuseur correspond au corps principal. La partie mobile (hélice) crée le flux d’air.

La donnée la plus importante dans un ventilateur est la courbe pression statique en fonction du débit. Toutes les autres données techniques peuvent faire, plus ou moins facilement, l’objet d’adaptation (tension, dimensions, etc…). La seule donnée qui n’a aucune utilité fonctionnelle est le niveau sonore du ventilateur.

Sur la courbe ci-contre, on remarque deux points particuliers (point1 et point2) qui correspondent à des fonctionnements particuliers. Si l’on ne dispose pas de la courbe constructeur, il faut au moins ces deux données ce qui est, en général, le cas avec des constructeurs ou des fournisseurs sérieux.

Le point1 correspond à la pression statique maximale du ventilateur à débit nul. Si vous préférez, la sortie du ventilateur est bouchée.

Le point2 correspond au débit maximal du ventilateur à pression statique nulle. Dans ce cas le ventilateur ne souffle sur rien.

Dans la réalité, le point de fonctionnement du ventilateur va se situer entre ces deux extrêmes donc avec un débit inférieur à celui du point2 et une pression statique inférieure à celle du point1. Le point de fonctionnement dépendra des caractéristiques géométriques du dispositif à refroidir.

Tout va dépendre de la courbe de pertes de charges du dispositif. Il est pratiquement impossible de relever cette courbe de charges pour nos imprimantes. Trop de critères sont à prendre en compte (géométries et points singuliers) pour la déterminer.

2.2. Point de fonctionnement

 

La courbe de charges (courbe verte), qui dépend du dispositif à ventiler, va fixer le point de fonctionnement (point3).
Le point de fonctionnement correspond à l’intersection de la courbe ventilateur et la courbe de charges.
Pour ce cas de figure, le dispositif à ventiler est traversé par un débit d’air Qf.
La pression au niveau du ventilateur sera Pf.
Il est important de respecter ce débit d’air pour pour assurer le refroidissement prévu par le concepteur de l’imprimante 3D.

Le respect des débits est surtout primordial pour les ventilateurs du hotend et du filament.
Par contre pour l’électronique et l’alimentation, un débit plus important peut améliorer le niveau de température de l’ensemble.

3. Changer de ventilateur

Il existe de multiple raisons pour changer de ventilateurs :

  • le ventilateur est défectueux,
  • le ventilateur est trop bruyant,
  • le débit ventilateur est trop faible,
  • peut être d’autres raisons.4. Le choix du ventilateur

A partir de maintenant les choses se compliquent. Parmi les centaines de fabricants et les milliers de références, lequel choisir ?

Surtout lorsque le ventilateur incriminé n’a pas de références connues ou sans aucune indication sur ces caractéristiques de la part du fabricant d’imprimante.

On se retrouve devant la « quadrature du cercle ».

La seule solution consiste à comparer ou mesurer les caractéristiques du ventilateur.

5. Les bancs de mesure

Comme j’ai mis les doigts dans l’engrenage, il me fallait trouver une ou plusieurs solutions. Ne disposant pas d’appareils de mesure aéraulique (qui sont hors de prix), il faut trouver un « ersatz ».

J’ai recensé trois solutions possibles :

  • une méthode par similitude en mesurant la vitesse du flux d’air (les mêmes causes provoque les mêmes effets),

  • une méthode de mesure de la pression statique et la vitesse du flux d’air (capteur de pression différentielle et anémomètre).

  • Une méthode de mesure de la pression statique et la vitesse du flux d’air (capteurs de pression différentielle).

    5.1. Banc de mesure par similitude

Le principe est relativement simple, on mesure la vitesse du flux d’air dans un canal où l’on peut faire varier les pertes de charges par la mise en place de diaphragmes. On fait les mesures sur des ventilateurs inconnus et des ventilateurs connus (dont on dispose des courbes constructeurs.

La comparaison des différentes mesures permettra de tarer les différents ventilateurs par rapport aux ventilateurs dont on connaît les courbes caractéristiques. Cela fait un peu « louchomètre de précision » mais très efficace.

5.1.1. Résultats des mesures

Les mesures sont relativement chronophages car il faut faire une dizaine de mesures par ventilateurs.

5.1.2. Interprétation des mesures

On remarque que les ventilateurs 3Donline (courbe verte) et le KDE2404PFV2 (courbe bleue pointillée) sont très similaire à la courbe PD04010MS4 (rouge). Ces deux ventilateurs peuvent remplacer avec des caractéristiques proches de celui qui équipe les Ender 5 et 5 plus.

On constate également que les ventilateurs (XM-1, XM-2, Silent4, NF-Ax10 et NF-Ax20), à gauche du graphique, ne peuvent pas remplacer le ventilateur des Ender 5. Pourtant ses ventilateurs sont souvent mis en avant pour se substituer aux ventilateurs existants sur nos imprimantes 3D.

Cette méthode de comparaison fonctionne très bien mais ne permet pas d’avoir la pression statique maximale, ni le débit maximal du ventilateur que l’on souhaite remplacer.

5.2. Banc de mesure – Pression / Débit

Même principe de mesure qu’au paragraphe 5.1 mais avec un anémomètre plus performant et une mesure de pression différentielle.

Avec ce type de banc, on peut mesurer la pression statique et le débit en fonction des différents diaphragmes et reconstituer la courbe pression en fonction du débit.

5.2.1. Résultats des mesures

5.2.2. Interprétations des mesures

Le premier résultat important concerne le ventilateur PD04010MS4 :

  • Pression statique maximale : 34,5 Pa
  • Débit maximal : 12,8 m3/h

On remarque que les ventilateurs 3Donline (rouge) et le KDE2404PFV2 (jaune) sont très similaire à la courbe PD04010MS4 (bleue). Ces deux ventilateurs peuvent remplacer avec des caractéristiques proches de celui qui équipe les Ender 5 et 5 plus.

On constate également que le ventilateur NF-Ax10 (bleue claire), ne peut pas remplacer le ventilateur des Ender 5. Le ventilateur MF40202VX (marron) est un peu sur-dimensionné.

5.3. Banc de mesure complet

Je pensais modifier le banc de mesure pour supprimer l’anémomètre en le remplaçant par un tube de pitot (principe de mesure de la vitesse des avions, par exemple). Pour l’instant les résultats ne sont pas satisfaisant mais je n’abandonne pas (à suivre).

6. Re-choix du ventilateur

Maintenant que l’on connaît les données minimales du PD04010MS4 (34,5 Pa / 12,8 m3/h), la recherche des ventilateurs compatibles va être facilité.

6.1. Plage de choix

Sur l’ensemble des ventilateurs disponibles sur le marché, il n’est pas facile, voir improbable, de trouver celui qui a les mêmes caractéristiques. Compte tenu des dispersions de fabrications et des décalages de mesures, on va choisir les ventilateurs en introduisant une plage de tolérance de + ou – 10 %.

On considère que toutes les courbes de ventilateurs se trouvant dans la zone hachurée est un bon candidat au remplacement de notre PD04010MS4.

6.2. Quelques ventilateurs 40x40x10 ou 20 mm

Pour clarifier les performances des différents ventilateurs, j’ai définit un code de couleurs pour les choix possibles :

  • en vert : remplacement optimal du PD04010MS4 (pression et débit dans la plage définit au paragraphe précédent)

  • en bleu : remplacement acceptable du PD04010MS4 (débit dans la plage définit au paragraphe précédent)

  • en orange : solution de repli en attendant un vert (pression dans la plage définit au paragraphe précédent)

  • en noir : ventilateur ne convenant pas

6.3. Remplacement PD04010MS4

Pour remplacer le ventilateur d’origine de la Ender 5 / 5 Plus, les choix les plus judicieux seraient :

  • 3Donline (3D Online) –
  • EB40101S2 (Sunon)7. Le bruit

Un sujet très délicat qui suscite énormément de débats passionnés. La notion de bruit est relativement complexe et éminemment subjective. Tout le monde n’a pas le même perception du bruit.

En général, la mesure de bruit est exprimée en dB mais ce n’est pas la seule valeur à prendre en compte de toute façon cela dépasse largement le contenu du présent document. Les variations de niveaux ne sont pas linéaires mais suivent des échelles logarithmiques.

Quelques références de niveau de bruit :

  • 10 dB pour le vent dans les arbres,

  • 30 dB pour le chuchotement,

  • 30 à 40 dB pour une forêt,

  • 40 à 60 dB pour un local calme.

Pour nos chers ventilateurs, les mesures sont faites dans des chambres anéchoïques à une distance de 1 m en soufflant sur rien. Les valeurs obtenues n’ont pas d’existence dans la vraie vie.

Toute ventilation produit du bruit. Le seul ventilateur silencieux que je connaisse et celui qui ne tourne pas.

7.1. Origines des bruits

Le principal niveau de bruit est lié aux pertes de charges du circuit de refroidissement. Les pertes de charges sont produites par les obstacles que rencontrent le flux d’air. Les freins au passage du flux d’air sont nombreux (état de surface des parois, points singuliers, etc…).

Si l’on se place au niveau du ventilateur, on peut classer l’origine des bruits de la manière suivante (par ordre de niveau de bruit) :

  • les pertes de charges du circuit à refroidir,
  • les vibrations du ventilateur liées à son montage,
  • le bruit du ventilateur lui même.

Par exemple, lorsque vous roulez en voiture et que vous ouvrez la fenêtre (création d’un point singulier) le bruit ambiant augmente de façon significative.

Remarque : Sur ma Ender 5 Plus la source sonore la plus importante est l’alimentation qui dans sa conception compacte ne laisse pas beaucoup de passage au flux d’air (que des obstacles). Le concepteur devait en être conscient puisqu’il est thermostaté pour ne pas tourner en permanence.

7.2. Luter contre les bruits

Le seul remède efficace pour réduire le bruit serait de modifier le chemin du flux d’air dans le circuit à refroidir en réduisant les pertes de charges et en soignant le montage du ventilateur par la mise en place de dispositif anti-vibrations.

Le remplacement du ventilateur par un modèle plus silencieux n’apportera pas grand-chose.

De nombreux lecteurs ne seront certainement pas d’accord avec ce qui précède mais j’ai bien peur que ce soit la réalité. Le débat restera encore ouvert pour de nombreuses années.

7.3. Pourquoi les ventilateurs « marron » sont-ils plus silencieux ?

Les trésors d’imaginations déployés par les concepteurs des ventilateurs de la firme autrichienne les rendent très silencieux. Ces ventilateurs très prisés dans le monde des PC ne sont pas forcément très performant dans la sphère de l’impression 3D. Les caractéristiques de ces derniers ont de piètres performances par rapport aux besoins de l’impression 3D.

Le résultat sonore serait le même avec les ventilateurs Silent4, XM-1 et XM-2.

Comme les caractéristiques des ventilateurs, en question, sont beaucoup plus faibles que le ventilateur d’origine le point de fonctionnement va s’établir au point4 donc avec un débit d’air plus faible sous une pression statique également plus faible. Le résultat de cette opération va diminuer le bruit tout en augmentant le risque de surchauffe et/ou en diminuant le pouvoir de refroidissement.

Par exemple, si vous prenez une gaine annelée (passage des fils électriques en électricité) et que vous soufflez plus ou moins fort, vous n’aurez pas le même bruit.

8. Informations techniques

8.1. Nombre de fils

Sur les ventilateurs disponibles, on rencontre une connectique à 2, 3 ou 4 fils. Déjà avec 2 fils, il ne fallait pas se tromper pour éviter que le ventilateur tourne à l’envers mais avec 4 fils cela risque d’être compliqué.

Pour le ventilateur à 2 fils, on a un fil – (généralement de couleur noir) et un fil + (généralement rouge) qui correspondent à l’alimentation.

Pour les ventilateurs à 3 fils, on a les deux fils précédents ainsi qu’un fil tachymètre (généralement de couleur jaune). Cette liaison renvoi un signal représentatif de la vitesse de rotation du ventilateur qui est utilisé pour l’asservissement.

Pour les ventilateurs à 4 fils, on a les trois fils précédents ainsi qu’un fil PWM (généralement de couleur blanc) qui permet de faire varier la vitesse sans faire du PWM sur les fils d’alimentation.

Pour nos imprimantes grands publics les fils tachymètre et PWM ne sont pas utilisés mais uniquement les deux fils d’alimentation.

8.2. Tension d’alimentation

Pour l’instant, on suppose que les ventilateurs sont alimentés par une tension fixe. Les imprimantes 3D sont équipées de modèles 12 V ou 24 V (mais on pourrait également avoir des modèles 5 V).

Le remplacement d’un ventilateur 24 V par un modèle 12 V (ou 5 V) nécessite la mise en œuvre d’un adaptateur de tension. En général, on fait appel à une alimentation à découpage du type Buck ou Step Down Chopper. On trouvera de nombreuses références sur la toile, du côté du soleil levant.

Le remplacement d’un ventilateur 12 V par un modèle 24 V peut également être envisagé mais dans ce cas, il faut faire appel à une alimentation à découpage du type Boost ou Step Up Chopper.

Nota : Il existe des alimentations à découpage de type Buck Boost qui permettent d’élever ou abaisser la tension de sortie. Ce type de convertisseurs sont à utiliser en connaissance de cause car on a une inversion de la tension de sortie (à éviter si on ne connaît pas).

8.3. Alimentation PWM

Les ventilateurs de refroidissement du filament sont pilotés par une alimentation PWM qui permet de faire varier la vitesse.

Lors du changement de ventilateur par un ventilateur de tension différente, il faudra un circuit d’adaptation particulier. Je n’ai jamais rencontré ce type de circuit sur les sites marchants de la toile.

La conception de ce type de circuit n’est pas bien compliqué.

8.3.1. Ventilateur 24 V remplacé par un ventilateur 12 V

8.3.2. Ventilateur 12 V remplacé par un ventilateur 24 V

8.4. Unités

Les unités légales de mesures de débit et de pression sont en Europe le m³/s et le Pa (Pascal).

Comme les constructeurs de ventilateurs utilisent, le plus souvent, des unités plus exotiques, à nos yeux. Vous trouverez ci-dessous quelques conversions.

8.4.1. Pression

1 mmbar = 100 Pa

1 hPa = 100 Pa

1 mmH2O = 9,8064 Pa

1 inH2O = 249,08 Pa

1 mmHg = 133,32 Pa

8.4.2. Débit

1 m³/h = 2,78 10-4 m³/s

1 m³/min = 1,67 10-2 m³/s = 61,6 m³/h

1 CFM = 4,72 10-4 m³/s = 1,7 m³/h

1 ft³/min = 4,72 10-4 m³/s = 1,7 m³/h

1 l/s = 10-3 m³/s = 3,6 m³/h

9. Maintenance

Eh oui, comme tous les organes en mouvement de votre imprimante, les ventilateurs nécessitent de temps à autre un peu de maintenance. Au fil du temps de la poussière de filament et des cheveux d’ange viennent se déposer sur les palles de l’hélice.
Ce dépôt réduit les performances du ventilateur et augmente la source sonore.

Attention : Si vous utilisez de l’air sous pression pour le nettoyage, il faut bloquer l’hélice qui risque, si non, de se transformer en génératrice pouvant endommager l’électronique de commande.

10. Suite de l’étude

Il reste quelques points à compléter pour être le plus complet possible, à savoir :

  • l’étude de la turbine de refroidissement du filament de la Ender 5 (PB04010MS4),
  • modification du banc de mesure (sans anémomètre).

     

    11. Conclusion

Choix de l’équipe : 3Donline.be 17-DB en 24Volts !!! Pas besoin de réducteur de tension (6.99€/pièce)

 

Nous voila arrivé aux termes de cette première partie de l’étude de la ventilation dans les imprimantes 3D. J’ai voulu que le document soit le plus factuel possible sans dérager Daniel Bernoulli (mécanique des fluides) ni James Clerk Maxwell (propagation des ondes).

Les recommandations dans les forums ou certaines vidéos proposent souvent des choix qui ne sont généralement pas appropriés et risquent la plupart du temps de créer, à terme, des dysfonctionnements (bouchage de buse, dégradation du PTFE, réduction de la durée de vie des composants, plantage de l’électronique, mauvaise qualité d’impression, etc.). C’est également une façon d’alimenter de nouvelles questions sur les forums.

Vous êtes les seuls maîtres de vos imprimantes, si vous faites des modifications et quelles répondent à vos besoins, tant mieux. Les changements doivent être fait en connaissance de cause. Vous ne pourrez plus dire, je ne savais pas.

Errare humanum est, perseverare diabolicum

 

J’espère que votre vision sur nos petits ventilateurs a changé ou changera.

Bon print à tous.

Merci à Icare Petibles pour ce document très complet sur la ventilation avec nos imprimantes 3D
Sans parler de l’investissement personnel et financier
mis dans ce projet !

Merci !!!

Raphaël
Essaye d'aider les autres comme il peut !

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3 Comments

  1. Excellent article très intéressant … j’attends avec impatience la suite, si suite il y a…
    Pour ma part, je voulais savoir si vous aviez réfléchi à comment limiter le bruit de nos Ender en remplaçant l’alimentation par exemple qui s’avère assez bruyante … ou alors en optimisant son refroidissement ?… J’ai vu certaines expériences avec des modules Peltier… Ce serait déjà une belle avancée côté bruit. Pour la tête d’impression, il y aurait bien le watercooling mais on a peu d’infos sur les résultats, rendements, bruits etc… l’avantage serait surtout la possibilité de déporter le bruit ailleurs (à l’extérieur comme les climatiseurs par exemple ?… ou une autre pièce)… Je cherche de l’information à ce propos car nos pilotes moteurs étant devenus très silencieux (TMC2208/9..)…
    Encore merci pour cet article !

    1. Merci pour ce retour,
      D’autres études sont en cours. Pour l’alimentation il reste des alim sans ventilateur avec un système de refroidissement interne.
      Problème ce sont des alimentation qui tourne dans les 130/150€…. tout dépend le budget de chacun.
      Nous souhaitons faire des système d’améliorations qui reste peux couteuse donc pour le moment les ventilateurs sont la meilleur option.
      MW75007 Alimentation MeanWell 24V 500W 20,9A sans ventilateur https://amzn.to/33eAZco
      20Amp est le minimum pour nos imprimantes…

  2. Bonjour à tous,
    Il y aura une suite et fin à cet article, on aura :
    – un complément sur les ventilateurs,
    – une petite étude sur la répartition de la chaleur dans le hotend.

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