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Guide de l’impression 3D

« Troisième révolution industrielle » « plus importante que le Web » …., l’impression 3D n’en finit plus de connaître une croissance éblouissante.

Mais d’où vient-elle ? Est-ce une technique nouvelle, comme le laisse à penser l’engouement du grand public ? En quoi diffère-t-elle des modes traditionnels de fabrication ? Quelles sont ses applications aujourd’hui et que va-t-elle changer demain ?

Un procédé par ajout de matière

Jusqu’à peu, tous les objets étaient fabriqués selon trois grandes techniques : en soustrayant peu à peu la matière jusqu’à former la pièce (sculpture, découpe, fraisage, forage…), en combinant plusieurs matériaux (tissage, collage…) ou en déformant la matière pour lui donner la forme souhaitée (moulage, pliage…). La fabrication d’un objet combinait en général ces trois procédés, ce qui nécessitait le recours à de nombreux outils et l’emploi de différents matériaux.

Avec l’impression 3D, c’est totalement différent puisque la pièce est créée en un seul passage, couche après couche, au rythme moyen d’un à deux centimètres de hauteur par heure. Cet objet peut même comporter des mécanismes internes (comme un roulement à billes), des formes tissées et entrelacées, ou encore des creux et des courbes.

S’il existe de nombreux procédés d’impression 3D, ils ont tous pour point commun de réaliser un objet l’une couche après l’autre. Cette technique relève de la fabrication dite « additive », car elle fonctionne par ajout de matière : l’objet prend forme au fur et à mesure de la solidification des couches.

L’impression 3D est réalisée grâce à une imprimante 3D. Cette machine, qui peut être de taille et d’aspect très divers, est toujours associée à plusieurs logiciels informatiques, qui sont d’une grande importance dans le processus puisqu’ils permettent de préparer le fichier 3D de l’objet à fabriquer, puis de contrôler l’imprimante pendant toute la durée de l’impression. Une imprimante 3D est donc une machine capable de fabriquer un objet physique à partir d’un modèle 3D.

Que peut réaliser l’impression 3D ?

L’impression 3D est une technique à fort potentiel. Elle offre des possibilités encore jamais imaginées et remet en question l’ensemble des procédés industriels. Voici un rapide tour d’horizon de ce dont elle est capable.

DES FORMES GÉOMÉTRIQUES COMPLEXES ET IMBRIQUÉES

L’impression 3D est capable de réaliser des pièces aux formes géométriques très complexes.

DES PIÈCES MÉCANIQUES D’UN SEUL TENANT

Des pièces mécaniques peuvent être fabriquées sans aucun assemblage : l’objet sort de la machine tel quel. Les clés à molette illustrent parfaitement les capacités de l’impression 3D pour la fabrication de pièces mobiles. Chaque clé est entièrement fonctionnelle, sortant de la machine prête à l’emploi.

DES OBJETS UNIQUES TRÈS TRAVAILLÉS

La précision exceptionnelle de certains procédés d’impression 3D permet de fabriquer des objets uniques très petits qui offrent beaucoup de détails. Deux secteurs spécialisés emploient déjà grandement ces techniques.

– La bijouterie : les plus grands noms de la bijouterie de luxe internationale utilisent aujourd’hui l’impression 3D, qui facilite la phase de fabrication tout en assurant une grande finesse de détail. Il est ainsi possible de réaliser des modèles sur mesure à partir de métaux précieux. Des imprimantes spécialisées ont été conçues pour ce corps de métier.

– La dentisterie : de nombreux laboratoires sont maintenant équipés d’imprimantes 3D spécialisées pour fabriquer des pièces sur mesure qui nécessitent une finition parfaite (couronnes, bridges, dentiers, bagues…).

DES PIÈCES D’AVIONS OU DE VOITURES

Les secteurs de l’aérospatiale et de l’automobile utilisent l’impression 3D pour fabriquer un grand nombre de pièces spécialisées. Cette technique permet de réaliser des éléments de très petite taille, mais aussi de très grande. Elle réduit en outre les coûts de prototypage et de fabrication tout en optimisant le design.

DES ORGANES HUMAINS

L’impression 3D est une technique versatile qui touche désormais des domaines très divers. Ainsi, la recherche médicale explore activement les possibilités de la fabrication additive pour réaliser des implants sur mesure et même des organes humains. À l’heure actuelle, il est en effet possible de créer un tissu organique vivant grâce à une imprimante 3D

FABRIQUER DES OBJETS SANS ASSEMBLAGE

Comparée aux techniques de fabrication actuelles, l’impression 3D est un bouleversement complet.

Actuellement, pour fabriquer un objet de manière industrielle, un ensemble d’actions sont nécessaires, telles que broyer, forger, plier la matière, réaliser des moules, couper, souder, coller ou assembler. Une grande quantité de matière est souvent perdue lors de cette phase, sans compter la masse d’énergie nécessaire pour la production. De plus, les machines utilisées ont généralement une fonction unique, chacune ayant sa place dans une chaîne de production longue et complexe. Cela implique de produire l’objet en grande quantité pour réduire les coûts et de concevoir son design de façon standardisée pour qu’il soit réalisable par la chaîne de production existante. Ce n’est donc pas l’usine qui s’adapte à l’objet, mais l’inverse.

En revanche, un objet créé par fabrication additive est généralement réalisé en un seul passage, avec une seule machine, ne requiert pas ou peu d’assemblage, et peut contenir des éléments mobiles. Cependant, un post-traitement est souvent nécessaire pour assurer, par exemple, la solidité ou l’étanchéité de la pièce.

RÉDUIRE LES COÛTS DE PRODUCTION

De véritables économies sont possibles grâce à l’impression 3D, car elle n’utilise que la matière nécessaire à la fabrication de l’objet ; celle qui ne sert pas peut être alors recyclée pour la réalisation d’un nouvel objet. Cet avantage concerne notamment l’impression 3D de métal, à la différence de l’usinage traditionnel où les pertes estimées de métal représentent 80 à 90 %, et la matière perdue n’est pas réutilisable.

Contrairement aux idées reçues, l’impression 3D permet aussi de gagner du temps en production. En effet, si le processus d’impression est généralement beaucoup plus lent que les autres méthodes de fabrication, le temps moyen de prototypage est en revanche considérablement réduit.

RÉALISER DES PIÈCES UNIQUES À LA DEMANDE

La customisation et la fabrication à la demande sont facilitées grâce à l’impression 3D. Alors qu’auparavant, la production de masse était nécessaire pour rentabiliser l’usinage d’un produit, il devient possible de créer des objets uniques, sans coût prohibitif.

Grâce à l’impression 3D, de nombreuses industries pourraient donc entrer dans l’ère de la customisation à grande échelle. Les objets seront fabriqués à la demande, en prenant en compte les goûts particuliers du consommateur. La technologie ira de pair avec le développement d’outils de customisation, en ligne ou hors ligne, qui permettront au consommateur de modifier les formes ou d’ajouter ses propres paramètres à l’objet.

UNE TECHNIQUE DE FABRICATION ADDITIVE

L’impression 3D fonctionne toujours par ajout de matière, et non par soustraction comme la plupart des techniques traditionnelles de fabrication (fraisage, découpe…). Toutes les imprimantes 3D construisent l’objet en travaillant la matière couche après couche, selon le tracé indiqué par l’ordinateur relié à la machine. Ce qui varie d’un procédé à l’autre, c’est généralement la façon dont les couches sont créées.

UN PROCÉDÉ À COMMANDE NUMÉRIQUE

L’impression 3D est rendue possible grâce à une imprimante 3D. Cette machine, qui peut être de taille et d’aspect très divers, est toujours reliée à un ordinateur. Elle va de pair avec un ensemble de logiciels informatiques, qui permettent de préparer le fichier 3D pour l’impression et de positionner la pièce dans l’imprimante. Le processeur et le firmware présents dans l’imprimante reçoivent ensuite ces données et contrôlent toute la phase d’impression.

PAS D’IMPRESSION 3D SANS FICHIER 3D

Le fichier 3D est le prérequis indispensable à toute impression 3D : pour imprimer un objet, il faut son modèle 3D. Celui-ci doit être créé à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D ou généré à partir d’un scanner 3D à moins qu’il existe déjà sur Internet, sur un site de partage de fichiers

À ce jour, une imprimante 3D ne peut donc en aucun cas fabriquer un objet à partir d’un simple croquis ou d’une illustration en 2D.

L’impression 3D par photopolymérisation

La photopolymérisation est un procédé d’impression 3D qui utilise des polymères liquides capables de se solidifier à la lumière. Elle est à la base de la plus ancienne technique d’impression 3D, la stéréolithographie.

LA STÉRÉOLITHOGRAPHIE

Solidification d’un liquide par rayon laser

La stéréolithographie (ou SLA) est la première technique d’impression 3D à avoir vu le jour, mise au point en 1986

LE PROCÉDÉ DLP

Du projecteur à l’objet solide

Tout comme la stéréolithographie, la DLP (Digital Light Processing) fonctionne aussi par exposition de polymères liquides à la lumière. Ici, la lumière qui permet le processus de photopolymérisation vient d’une minuscule puce qui balaie très rapidement la surface du Une imprimante DLP est donc équipée de projecteur, la lumière étant orientée en direction de l’objet sur la plate-forme. Les rayons UV passent à travers la puce et les miroirs, qui sont contrôlés par un système électronique complexe et font ou non filtrer la lumière en fonction du tracé de l’objet prévu par l’ordinateur.

L’impression 3D par liage de poudre

L’impression 3D par liage de poudre regroupe les procédés de frittage laser SLS et DMLS, Leur particularité est d’utiliser la poudre comme matériau de base, qui est fusionnée selon des techniques variées. Le principal avantage de la poudre est d’offrir une grande diversité de matériaux pouvant être imprimés, le métal étant l’une des grandes avancées du domaine.

LE FRITTAGE LASER

Un laser pour fusionner les particules de poudre

Le bac de poudre est préchauffé dans la machine, à une température se situant juste sous le point de fusion. Un rouleau vient étaler une couche très fine de poudre (0,1 mm d’épaisseur) sur la plate-forme d’impression. Le laser passe alors sur la poudre en suivant le tracé déterminé par l’ordinateur, et fait fondre les particules jusqu’au point où elles fusionnent entre elles.

Une fois la tranche fusionnée, le rouleau passe une nouvelle couche de poudre et le laser passe à nouveau. Le processus se poursuit jusqu’à la fabrication complète de l’objet. La pièce doit être enfin retirée du bac de poudre et nettoyée pour la débarrasser des particules qui n’ont pas fusionné.

LE PROCÉDÉ E-BEAM

Fusionner le métal avec un laser à électrons

L’EBF³, aussi appelée EBDM(Electron Beam Direct Manufacturing), est une variante de l’E-Beam. Elle permet d’imprimer en 3D dans des environnements zéro gravité. Le procédé a été développé par une équipe d’ingénieurs de la NASA. Là encore, un faisceau d’électrons passe dans un câble sur une plate-forme de positionnement enfermée dans un caisson en aluminium. Conçue spécialement pour fabriquer des pièces en métal, l’EBF³ permet de travailler une grande variété de métaux (titane, aluminium, nickel, acier inoxydable…). Il est aussi possible de réaliser des pièces mêlant différents alliages.

LES TECHNIQUES À JET D’ENCRE

Les techniques à jet d’encre sont moins employées que le frittage laser ou la 3DP, avec lesquels elles ont quelques similitudes. Comme une imprimante papier classique, l’imprimante 3D à jet d’encre propulse la matière couche par couche, tandis qu’une glue spéciale est déposée de façon à solidifier l’objet au fur et à mesure. Ce procédé présente l’inconvénient de nécessiter des matériaux aux propriétés physiques particulières (faible viscosité tout en présentant une tension suffisante sur la plateforme d’impression). Par ailleurs, il requiert l’utilisation d’une grande quantité de matière.

L’impression 3D par dépôt de matière fondue

Les techniques que nous venons de présenter se servent de la lumière ou d’un liant pour solidifier le matériau, liquide ou en poudre. La matière est contenue dans un bac et le lit d’impression se déplace pour laisser apparaître la partie à solidifier. Il existe un autre type d’impression 3D, consistant à déposer la matière au fur et à mesure

LA TECHNIQUE FDM

c’est le procédé d’impression 3D le plus ancien. Cette technique fonctionne par dépôts successifs d’un filament de plastique ou de métal. Une buse d’extrusion, par laquelle passe ce filament, vient déposer la matière en suivant le chemin défini par le fichier CAO. Elle est chauffée à plus de 185 °C, faisant fondre le matériau au fur et à mesure de l’impression. La matière est déposée en couches très fines (0,04 mm d’épaisseur en moyenne). L’objet est donc construit couche après couche, de la base à son sommet.

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