Comment fonctionne l'impression 3D ?

L'impression 3D est une méthode de fabrication additive. Elle est dite additive car elle consiste simplement à empiler et fusionner des couches de matériaux pour créer des objets réels, sans recourir à un bloc de matériau ou à un moule. Elle permet de créer des géométries plus complexes que les technologies conventionnelles, est souvent rapide, présente des coûts fixes d'installation réduits et fonctionne avec une gamme de matériaux toujours plus large. Le secteur de l'ingénierie y a largement recours, notamment pour le prototypage et le développement de géométries légères.

Fabrication additive et impression 3D

Le terme « impression 3D » est souvent associé à la culture des makers, aux amateurs et passionnés, aux imprimantes de bureau, aux techniques d'impression accessibles comme le FDM et aux matériaux peu coûteux comme l'ABS et le PLA. Cela s'explique en partie par les imprimantes de bureau abordables issues du mouvement RepRap, telles que la MakerBot et l'Ultimaker originales, qui ont contribué à la démocratisation de l'impression 3D et à son essor en 2009.

Technologie d'impression 3D : l'avenir de la fabrication innovante

3D impression histoire

Les produits conceptuels d'impression 3D ont commencé dans les années 1970. En 1981, le scientifique japonais Dr Kodama, qui a été le premier à décrire la méthode de fabrication par impression couche par couche, a essayé l'impression 3D et a personnellement créé la technologie d'impression 3D SLA (stéréolithographie) - une résine photosensible polymérisée par lumière ultraviolette.

Quelques années plus tard, le scientifique américain Charles Hull a également mené des recherches approfondies sur la technologie SLA et a déposé le premier brevet SLA en 1986. Il a fondé 3D Systems et lancé son premier produit commercial, le SLA-1, en 1988. (photo ci-dessous)

On peut dire que le SLA est la première technologie d'impression 3D développée, alors quand le SLS (frittage sélectif par laser) et le FDM (modélisation par dépôt de fil fondu) ont-ils été développés plus tard ?

En 1988, l'Américain Carl Deckard a breveté la technologie SLS à l'Université du Texas. Il s'agit d'une autre technique d'impression 3D qui consiste à fusionner localement des particules de poudre par un laser. La même année, Scott Crump, l'un des fondateurs de Stratasys, a déposé un brevet pour la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM). De 1980 à 1990, les trois principales technologies d'impression 3D ont été brevetées, marquant le début d'une période de développement rapide pour ce secteur.

En Europe, EOS GmbH a développé un système de conception pour l'impression 3D : le système « Stéréos ». Aujourd'hui, ses modèles imprimés en 3D sont utilisés dans le secteur industriel dans le monde entier grâce à la technologie d'impression 3D SLS (frittage sélectif par laser) pour les plastiques et les métaux, reconnue dans le monde entier.

En 1992, le brevet de la technologie d'impression 3D FDM (Fused Deposition Modeling) a été autorisé par Stratasys, qui a développé des imprimantes 3D pour répondre aux différents besoins de nombreux professionnels et particuliers.

Entre 1993 et ​​1999, diverses technologies ont émergé dans le secteur de l'impression 3D. Parallèlement, de plus en plus de nouveaux logiciels de CAO et de modélisation 3D ont été développés, notamment Sanders Prototype (aujourd'hui Solidscape), l'un des premiers à avoir été créé.

Applications multi-domaines de l'impression 3D

En 2008, la première prothèse imprimée en 3D est sortie, ce qui a accru sa part de marché médiatique. L'impression 3D permet non seulement d'imprimer des pièces traditionnelles, mais aussi de réparer le corps humain. Ce projet exceptionnel d'impression 3D médicale combine tous les éléments d'un membre biologique et peut être imprimé « tel quel » sans aucun assemblage ultérieur. Aujourd'hui, grâce à la numérisation 3D, les prothèses et orthèses médicales imprimées en 3D deviennent de plus en plus abordables et rapides à produire, répondant ainsi aux besoins des patients. De plus, ces prothèses sont de plus en plus optimisées et adaptées à la morphologie du patient. L'impression 3D ouvre de nouvelles perspectives de personnalisation de masse. (Ajouter une image)

2009 a été l'année de l'entrée des brevets FDM dans le marché grand public, ouvrant la voie à une innovation majeure pour les imprimantes 3D FDM. Avec la baisse du prix des imprimantes 3D de bureau, de plus en plus de personnes ont pu s'intéresser au développement de l'industrie de l'impression 3D.

En 2013, le président américain Barack Obama a mentionné l'impression 3D dans son discours sur l'état de l'Union comme le principal mode de production du futur, faisant de ce terme un véritable buzz. Aujourd'hui, son importance est bien présente dans l'esprit du public. De plus en plus de PME profitent du prototypage à faible coût offert par l'impression 3D et l'intègrent pleinement à leurs processus d'itération, d'innovation et de production.

Concept de voiture imprimée en 3D

En matière d'applications dans le secteur de la construction, les maisons imprimées en 3D sont désormais une réalité. Des personnes ont emménagé dans des maisons imprimées en 3D pour la première fois en 2018. La maison, d'une superficie de 90 mètres carrés, est très habitable. Son impression a nécessité deux jours.

Le système de classification de l'impression 3D sur les similitudes et les différences entre la fabrication et l'impression 3D

Prenons l'exemple d'une boule évidée. Sa surface est ornée de plus d'une douzaine de fleurs. Un usinage traditionnel sera très complexe et les motifs devront être modifiés un par un. L'impression 3D, quant à elle, ne gaspille pas de matière. C'est pourquoi on l'appelle aussi fabrication additive, ce qui signifie qu'elle utilise une méthode d'accumulation progressive de matière pour fabriquer des pièces physiques. La méthode traditionnelle consiste à fabriquer d'abord l'embryon, puis à retirer l'excédent de matière, ce qui permet d'obtenir la forme souhaitée. Si un problème est détecté, il est nécessaire d'ouvrir un moule et de le modifier ; l'impression 3D, quant à elle, utilise une accumulation progressive de matière pour obtenir rapidement le produit fini.

Réalisation de la technologie d'impression 3D

La technologie d'impression 3D est appliquée à la production industrielle. L'impression 3D nécessite non pas l'objet physique, mais le modèle numérique. Pour imprimer en 3D l'objet réel, il faut utiliser un ordinateur pour le modéliser, ou un scanner 3D pour numériser l'objet réel, c'est-à-dire un modèle 3D. L'impression peut alors se faire en seulement quinze minutes. Actuellement, la technologie d'impression 3D se divise en quatre grandes catégories : FDM, DLP/SLA et SLS.

SLS – procédé de moulage par frittage laser

Le procédé SLS est une poudre de haute technologie qui fond sous l'effet d'un rayonnement laser à haute température. Étalez une fine couche de poudre sur un établi et balayez la section transversale avec le faisceau laser pour atteindre le point de fusion et réaliser le frittage et le collage. Répétez les opérations d'étalement, de frittage, de meulage et de séchage de la poudre jusqu'à la formation du modèle. En fait, l'impression 3D est une impression 2D répétée à l'infini. Si vous découpez un objet très finement, vous constaterez que chaque pièce a une forme. En assemblant toutes ces formes, vous obtenez un objet à structure tridimensionnelle. C'est pourquoi nous utilisons des lasers pour dessiner des graphiques. La résistance des pièces moulées par SLS à l'environnement (température, humidité et corrosion chimique) est similaire à celle des matériaux thermoplastiques ; tandis que la résistance des pièces moulées par SLA est relativement faible. Par exemple, les pièces moulées par SLA avec de la résine époxy sont sensibles à l'humidité et aux produits chimiques. Corrosion : elles se ramollissent et se déforment dans un environnement supérieur à 38 °C, mais la précision de formage est élevée.

SLA – procédé de moulage par stéréolithographie

La SLA est une technologie de photopolymérisation relativement développée en Chine. La stéréolithographie consiste à tracer le contour de la première couche de l'objet à la surface de la résine liquide à l'aide d'un faisceau laser. La plateforme de production est ensuite abaissée d'une certaine distance (entre 0,05 et 0,025 mm), puis la couche solidifiée est immergée dans la résine liquide, et ainsi de suite. La résine utilisée est photosensible et se solidifie après exposition au faisceau laser. Le modelage est rapide et précis.

DLP – procédé de moulage par stéréolithographie

Le traitement numérique de la lumière DLP, également appelé technologie de façonnage laser, présente de nombreuses similitudes avec la technologie d'impression 3D SLA. Si la production est comparée au dessin d'un cercle au crayon, la technologie SLA équivaut à un dessin couche par couche, tandis que la DLP équivaut à un estampage direct. La production de masse que nous visons repose sur deux points essentiels : l'efficacité et le coût des matériaux. Il existe une imprimante 3D capable d'imprimer des centaines de fois plus vite que la fabrication traditionnelle : la technologie face-à-face, développée par Light Prism Technology, une entreprise de Shenzhen. Imprimer une boule creuse en impression 3D FDM traditionnelle prend entre 2 et 5 heures, et une heure au maximum, contre seulement 10 minutes environ avec la dernière technologie face-à-face. La vitesse d'impression est impressionnante. Une fois cette impression 3D commercialisée, son impact sur l'artisanat traditionnel sera considérable.

FDM – Procédé de moulage par dépôt de fil fondu

Comparée aux technologies DLP et SLS, la technologie FDM est relativement simple, ce qui lui permet d'atteindre un large public et de s'intégrer plus facilement. Le prototype est construit directement à partir de données CAO 3D en utilisant le matériau thermoplastique à extruder en un filament semi-fondu, déposé couche par couche. Les avantages de la technologie FDM sont une structure mécanique simple, une conception aisée, de faibles coûts de fabrication, de maintenance et de matériaux, ainsi qu'une absence de pollution environnementale. C'est pourquoi la technologie FDM est également la plus répandue pour les imprimantes 3D de bureau grand public. C'est une méthode d'impression relativement traditionnelle, sans laser et peu coûteuse, mais avec une faible précision et une vitesse d'impression très lente. C'est la méthode la plus accessible au plus grand nombre, généralement utilisée dans le secteur de l'éducation.

L'impact de l'impression 3D sur la fabrication et l'artisanat traditionnel

Avantages de l'impression 3D

(1) Personnalisation

Prenons l'exemple de la dentisterie : les dents de chacun sont différentes, mais l'impression 3D peut résoudre la contradiction entre la production personnalisée et la production de masse, et produire en masse des implants, des appareils orthodontiques, etc. personnalisés.

(2) échantillon en temps réel

Grâce à la rapidité de l'impression 3D, le concepteur conçoit une version du produit le matin, et le responsable peut visualiser le produit fini à midi, puis conçoit une autre version à 18 h, et peut visualiser le produit fini le lendemain matin, ce qui accélère considérablement le développement de nouveaux produits. Si la complexité est moindre, l'impression 3D permet de produire des produits finis en 3 heures, tandis que la validation traditionnelle prend de 4 à 6 semaines à chaque fois, ce qui améliore également la rapidité globale de la conception industrielle.

(3) Pas de pollution

 Les matières premières produites étant toutes respectueuses de l'environnement, l'ensemble du processus de production est exempt de pollution. Il n'y a ni pollution des gaz d'échappement ni des eaux usées, ni gaspillage de matériaux résiduels.

(4) Dataisation

Avec l'arrivée à maturité de la dentisterie numérique, les exigences techniques des médecins seront considérablement réduites. Il suffit aux patients d'utiliser l'instrument pendant deux minutes à l'hôpital pour connaître les causes et les solutions de tous leurs problèmes dentaires.

L'impression 3D peut également être utilisée en orthodontie, pour la fabrication d'appareils dentaires transparents personnalisés. En chirurgie esthétique, les dents doivent-elles se déplacer vers la gauche ou vers l'avant ? De combien de millimètres ? Auparavant, la chirurgie dentaire reposait uniquement sur l'expérience personnelle du praticien, mais la dentisterie numérique a amélioré la stabilité de l'intervention et abaissé le seuil technique pour les médecins.

(5) Rapide

 Comparée aux procédés industriels traditionnels, l'impression 3D ne nécessite aucun préparatif préalable, comme la main-d'œuvre et le transport. Elle nécessite uniquement des machines et des matières premières, et sa mise en production est rapide.

(6) Automatisation

 On peut dire qu'il n'existe qu'une seule imprimante 3D entre l'imaginaire virtuel et la réalité. La production en une seule étape de l'impression 3D permet de réduire considérablement les coûts de main-d'œuvre et les erreurs humaines.