Technologies

Technologies

Toutes les technologies connues sont basées sur la découpe de l'objet virtuel 3D en lamelles 2D de très fine épaisseur. Ces fines lamelles sont déposées une à une en les fixant sur les précédentes, ce qui reconstitue l'objet réel.
Il existe différents types de technologies. On peut les séparer en deux types :

Les technologies de fabrication 3 axes, les plus courantes

Trois axes sont utilisés pour fabriquer la pièce finale, souvent en translation selon les trois dimensions de l'espace.

AM ou ALM (Additive -Layer- Manufacturing)[modifier | modifier le code]

Additive Manufacturing (AM) est défini par la norme ASTM comme le «processus d'assemblage de matériaux pour fabriquer des objets à partir des données du modèle 3D, le plus souvent couche après couche, par opposition aux méthodes de fabrication soustractive. Synonymes: fabrication additive, les procédés additifs, les techniques additives, la fabrication par couche additive, la fabrication des couches et fabrication de forme libre. »
Le terme additif décrit les technologies qui peuvent être utilisés n'importe où dans le cycle de vie du produit, de la pré-production (c'est-à-dire du prototypage rapide) à la production à pleine échelle (également connu sous le nom de fabrication rapide) et même pour les applications d'outillage ou de personnalisation de post-production.
Des exemples de technique d'AM sont le dépôt de filaments en fusion (fused deposition modeling) et le frittage par laser (laser sintering).

CLIP (Continuous Liquid Interface Production)

La résine liquide est solidifiée à l'aide d'un laser ultraviolet, en provoquant une photopolymérisation dans un environnement dont la teneur en oxygène est contrôlée. L'impression CLIP introduite par Carbon3D s'inspire d'un procédé additif bien connu de la stéréolithographie. Cette technique d'impression serait l'une des plus rapides, réduisant la durée d'impression à quelques minutes au lieu de quelques heures pour un objet de même taille.

EBM (Electron Beam Melting)

Procédé similaire à la fusion laser (Selective Laser Melting), ce procédé utilise un faisceau d'électron, donnant des pièces de dimensions similaires mais avec quelques changements sur les propriétés de celles-ci.

FDM (Fused Deposition Modeling)

Cette technique consiste à faire fondre un filament de matière synthétique (généralement du plastique type ABS ou PLA) à travers une buse (un extrudeur) chauffée à une température variant entre 160 et 400 °C (dans le cadre de la fusion de polymères). Un petit fil de plastique en fusion, d'un diamètre de l'ordre du dixième de millimètre (dans le cadre de la fusion de polymères), en sort. Ce fil est déposé en ligne et vient se coller par re-fusion sur ce qui a été déposé au préalable. Le Fused Deposition Modeling est une marque déposée par l'inventeur de la technologie de dépôt de filament en fusion, Stratasys.
Elle peut aussi désigner la technologie similaire pour fabriquer de très grandes pièces métalliques, par exemple la technologie de fabrication additive par faisceau d'électronsiaky.

FTI (Film Transfer Imaging)

Un film transparent recouvert d’une couche de résine photopolymère est placé devant le vidéo projecteur intégré à la machine, l’image de la coupe 2D projetée dessus va faire durcir la résine. Le plateau de production est remonté d’une épaisseur tandis que le film transparent fait un aller-retour dans la cartouche afin de recevoir une nouvelle couche de résine liquide, l’image de la coupe 2D suivante est projetée dessus et ainsi de suite. La pièce est ainsi reconstituée couche par couche.

MJM (Modelage à jets multiples)

Cette technique consiste à déposer une couche de résine (du plastique type acrylate ou polypropylène) liquide de la même manière qu'une imprimante à jet d'encre avec une épaisseur de 2/100 à 4/100 de mm.
En 2014, BMW France utilise le MJM pour une opération événementielle, en créant des voitures miniatures insolites.

SLA (StéréolithographieApparatus)

Cette technique utilise en général une résine spéciale sensible au traitement par rayon laser. À la fin de chaque couche solidifiée, le laser continue à chauffer la résine qui durcit jusqu'à former l'objet complet.

SLM (Selective Laser Melting)

C'est la technique la plus utilisée pour faire des pièces métalliques. Elle offre un bon compromis entre précision et dimensions. Son nom français est Fusion Laser.
L'emploi de Laser Beam Melting, Direct Metal Laser Sintering, désigne le même procédé.

SLS (Selective Laser Sintering)

Cette technique est similaire à la stéréolithographie, mais une poudre est utilisée (au lieu d'un photopolymère liquide). Un laser puissant solidifie localement la surface de poudre et l'agglomère aux couches précédentes par frittage. Une nouvelle couche de poudre est ensuite étalée et le processus recommence.
Pour la fabrication de pièces métalliques, il s'agit de l'ancêtre de la fusion laser.

Impression de nourriture

En 2009, l'institut français d'art culinaire, l'école d'art culinaire de New York City ont travaillé sur l'élaboration de l'impression de nourriture, sur l'imprimante 3D libreFab@home.
En 2010, le projet Cornucopia du Massachusetts Institute of Technology travaille sur l'impression de nourriture et des entreprises (comme IKEA) travaillent sur ce concept.
En 2012, Choc Edge a proposé la Choc Creator Version 1, la première imprimante 3D à chocolat.
Il en existe d'autres.

Procédés de fabrication 5 axes

Ces procédés utilisent 5 axes (les trois translations que l'on a en 3 axes plus 2 axes de rotation, souvent un horizontal et l'autre vertical). Cela leur permet de s'affranchir un peu plus de la problématique de supports que l'on rencontre sur certains procédés.

DMD (Direct Metal Deposition)

Ces procédés concernent la projection de poudre métallique fondue en général par un faisceau laser. Les 2 axes supplémentaires ne sont pas forcément courants, mais comme ce procédé est souvent utilisé pour faire du rechargement, les deux derniers axes permettent de s'adapter aux formes complexes.

FDM

Le dépôt de fil est également utilisé tout en profitant des 5 axes, notamment dans la fabrication métallique, mais aussi dans la fabrication de pièces polymères.

Procédés connexes[modifier | modifier le code]

Des logiciels de dessin tridimensionnel et des outils, logiciels et applications de scannage 3D (ex Sprout) sont peu à peu développés pour faciliter la création directe du modèle et son importation vers l'imprimante 3D, y compris pour le grand public (ex : Sketchup ; Autodesk ; Tinkercad ; 3DTin), à l'aide de voxels ((Volumetric Picture Elements) ou « pixels 3D »).

Applications

Armes et armée

Le commandement des opérations spéciales de l'armée américaine construit « huit usines mobiles » qui peuvent rentrer dans des conteneurs de transport standard. Ces usines sont basées sur une expérience réussie, le MPH. Ce type de « micro usines » est l'aboutissement de l'idée d'usine, avec des technologies d'impressions tridimensionnelles.
D'après l'armée américaine, l'impression tridimensionnelle réduit de 97 % les coûts de production et de 83 % le temps de production.
L'étudiant texan Cody Wilson a réussi à fabriquer une arme à feu à l'aide d'une imprimante 3D. Si la majeure partie de l'arme est constituée de plastique moulé, fabriqué à l'aide de l'imprimante 3D, le canon et la crosse demeurent toutefois en métal. Une fois la démonstration faite de l'efficacité de l'arme, le créateur de cette arme à feu, a ensuite partagé les plans de fabrication de l'arme sur Internet. À l'origine, le créateur de cette arme à feu, souhaitait pouvoir tirer au moins vingt balles avec l'arme ainsi créée. Il n'a pu en tirer que six, avant que l'arme ne se désagrège complètement.

Aéronautique

EADS, la maison mère d'Airbus a des projets visant à produire toutes les parties des avions par des techniques d'impression tridimensionnelle (ALM-enabled: additive layer manufacturing). Airbus produit déjà certaines parties de ces avions grâce au procédé d'impression 3D notamment pour l'A350 XWB. Ce qui est précieux pour l'aéronautique, c'est les pièces 30 à 55% plus légères, en comparaison des productions traditionnelles et à la main. L'A350 adopte déjà plus de 1 000 pièces fabriquées de cette manière.
SpaceX a réussi en 2014 à remplacer certaines composantes (métalliques) de leurs fusées avec des pièces imprimées en 3D.

Médecine et recherche

Oreille interne d’un fossile de babouin (2,8 millions d’année) initialement de 2 cm agrandie à 22 cm.
  • Le domaine de la médecine profite aussi de l'impression 3D, avec la création d'un matériau semblable à un os ou encore la création de prothèses et implants (hanches artificielles, appareils dentaires et auditifs personnalisés) et exosquelettes personnalisés. Récemment les chercheurs de l'AECS (université de Wollongong) ont conçu un crayon, le BioPen, capable d'imprimer des cellules souches (nerveuses, musculaires, osseuses) sur des zones lésées.
  • L'impression tridimensionnelle, permet de matérialiser des espaces creux ou des organes mous.
  • Autorisé en 2015 par la FDA, le premier médicament imprimé en 3D est commercialisée aux États-Unis en avril 2016 par Apreciaqui a l'exclusivité pour l'industrie pharmaceutique d'une technique brevetée par le MIT. La substance active est le lévétiracétam. La pilule, plus poreuse grâce à l'impression 3D, se dissout plus rapidement, facilitant son ingestion par les personnes atteintes dedysphagie ou de troubles de la déglutition.
  • Un robot humanoïde, InMoov, et une main bionique à bas prix, Bionicohand, ont été créés à partir de l’impression 3D.

Pour les particuliers

Des entreprises d'impression tridimensionnelle à la demande existent et reprennent la vision de service web : envoi de vos plans par un site internet, paiement, impression, (montage), envoi du produit fini.

Etymologie

Le mot est apparu en anglais, "3D printer", par analogie avec "printer" (imprimante), vu que ces deux appareils présentent des similarités. Dans "impression 3D" le mot "impression" a totalement perdu son sens, en deux étapes :
  • une imprimante n'imprime déjà plus au sens physique, mais imprime bien au sens finaliste : Elle produit le même résultat qu'une presse.
  • Ce sens finaliste, produire un résultat, a été étendu à la fabrication additive d'objet tridimensionnel.

Limites

Certaines techniques d'impression tridimensionnelle sont émettrices de particules "ultrafines" (nanoparticules).
Les procédés métalliques basés sur la fusion de poudre donnent des pièces relativement nocives si la poudre est mal aspirée sur la pièce finale.

Capacités

En 2012, le marché mondial de l'impression 3D a atteint 2,2 milliards de dollars avec une croissance annuelle de 30 %.
En 2013, on sait gérer facilement des matériaux correspondant aux caractéristiques suivantes :
  • conducteurs électriques et isolants, résistants électriques ;
  • transparents, translucides ou opaques ;
  • rigides ou souples, élastiques ou cassants ;
  • pâteux, durs, abrasifs ;
  • colorés (toutes les couleurs, y compris phosphorescents, réactifs aux UV…) ;
  • magnétiquement inertes.
  • magnétiquement temporaires, médiocrement, en introduisant de la limaille de fer dans une cavité, ou un métal par exemple. (Une aimantation ultérieure permet de gérer les aimantations définitives).
En 2013, on ne sait pas gérer facilement des matériaux correspondant aux caractéristiques suivantes :
  • semi-conducteurs neutres, négatifs et positifs : voir l'article dédié : dopage (semi-conducteur) ;
  • précontraints ;
  • gaz.
Les textiles sont généralement assemblés séparément et fixés aux objets finaux.
Il est plus facile de construire les pièces détachées séparément et de les assembler ensuite, mais il est souvent possible d'imprimer les objets déjà terminés, avec l'assemblage déjà effectué.
Notez que Microsoft a déposé en septembre 2013 un brevet rendu public qui aurait pour objectif de repousser les limites décrites ci-dessus : en effet, l'entreprise envisage des imprimantes 3D35 capables d'élaborer des objets électroniques en fournissant comme "consommables" des cartouches de composants électroniques (puces, led, processeurs, etc.).

Histoire, tendances et prospectives

L'imprimante tridimensionnelle a d'abord relevé de la science-fiction (Arthur C. Clarke évoquait une « machine à répliquer » dans les années 1960, machine qui allait répliquer les objets comme on imprimait des livres, ce qui aurait un effet profondément positif sur la société : « l'humanité s'adaptera comme par le passé »15) ou de la bande dessinée (en 1972, dans le dessin animé Tintin et le Lac aux requins, le professeur Tournesol invente une photocopieuse tridimensionnelle immédiatement convoitée par Rastapopoulos pour fabriquer des faux en dupliquant des œuvres d'art volées dans de grands musées).
Puis dans le dernier quart du xxe siècle certaines industries l'ont développée et utilisée (pour le prototypage surtout).
Elle s'est ensuite démocratisée au début du xxie siècle. Et de nombreux observateurs estiment qu'elle prendra une part importante dans la nouvelle forme de production. Jeremy Rifkin pense qu'elle pourrait être un des éléments de son concept de troisième révolution industrielle.
La précision de l'impression, et les typologies de matériaux sont susceptibles d'augmenter à l'avenir au fur et à mesure des progrès techniques.
Le sable, depuis longtemps utilisé en fonderie semble avoir d'abord été testé pour l'impression 3D en 1999 en Allemagne par la start-up Generis (qui s'est en 2003 scindée en ProMetal, consacré à l'impression en sable et Voxeljet, spécialisée en moulage à cire perdue). Plus récemment (2012-2013), des expériences artistiques et/ou techniques ont utilisé des machines construisant des objets ou décors en sable, parfois de grande taille. C'est le cas par exemple de :
  • décors d'architecture imprimée par les architectes Michael Hansmeyer et Benjamin Dillenburger, réalisés avec le Départment d'Architecture de l'ETH de Zurich 19. La machine 3D a produit des objets de grande taille à base de sable mis en forme à partir d'algorithmes conçus pour produire des formes complexes et décoratives, qui ont été exposées en France au FRAC d'Orléans en 2014
  • Des « sculptures » ou objets utilitaires construit par un « robot mobile pulvérisateur de pierre » (Stone Spray robot) contrôlé par ordinateur et capable d'imprimer dans plusieurs directions à la fois (selon deux plans ; vertical et horizontal) pour produire des formes complexes éventuellement autoportantes (meubles, murs, sculptures... construites à base de sable aggloméré par une colle (liant écologique certifié LEEED (Leadership in Energy and Environmental Design), avec une alimentation électrique qui est un panneau photovoltaïque. Ce robot a été produit par Shergill, Anna Kulik et Petr Novikov, supervisés par Jordi Portell, Marta Male Alemany et Miquel Iloveras de l'IAAC (Institut catalan pour une architecture avancée (Institute for Advanced Architecture of Catalonia (en))
  • Des objets en sable fondu ; la fusion étant ici produite par concentration d'un faisceau de lumière solaire sur une couche renouvelée de sable du désert ; Markus Kayser a ainsi produit un petit prototype très simple, testé avec succès dans le désert du Sahara fonctionnant au moyen d'une lentille de fresnel (« Solar Sinter Project ») concentrant la chaleur du soleil sur du sable ajouté dans la machine couche par couche, sur la base d'un modèle numérique.
Des objets de grande taille pourraient bientôt également être produits par la technologie du Contour crafting: Le Président Behrokh Khoshnevis, avec l'université de Californie du Sudet des financements de la Nasa et l'Institut Cal-Earth teste en 2014 une « imprimante 3D géante » avec comme projet de construire une maison en 24 heures. L'imprimante est ici un robot qui projette du béton selon un plan stocké dans l'ordinateur qui le commande. De tels robots pourraient construire, pour tout ou partie avec des matériaux prélevés sur place des édifices civils et militaires, des pistes d’atterrissage, des routes, des hangars ou encore murs anti-radiation ainsi que des structures éventuellement habitables sur la lune, mars ou d'autres environnements extraterrestres. Des tests sont faits dans un laboratoire situé dans le désert de la Nasa (D-RATS). Ce procédé est ou a été testé à petite échelle (projet "maison du futur / Urban initiative policy" (2004)) et il est envisagé par des industriels depuis plusieurs années.
Des robots capables d'imprimer des structures tridimensionnelles peuvent par exemple construire un pont autoportant (de taille modeste) sans avoir besoin d’échafaudage et en "imprimant" eux-mêmes leur propres structures de soutien qui peuvent devenir des pièces de l'architecture au fur et à mesure que son plan se matérialise. Un premier projet a porté sur l'utilisation de sable comme matériau de base et mi-2015, une start-up néerlandaise a ainsi annoncé vouloir tester (mi-2017) la construction d'un pont piéton de 7 mètres au-dessus d'un canal d'Amsterdam, en s'appuyant sur la méthode dite « impression hors de la boîte ». Dans ce cas les robots construiront le pont en projetant des petites quantités d'acier fondu, via des bras mobiles selon 6 axes, avec un gaz de soudage spécialement développé (par Air liquide)

Histoire

En 2013, cette technique est limitée à l'utilisation de matériaux non propices à un usage intensif et donc ne produit que des prototypes, parfois grandeur nature, mais l'usage qui en sera fait dans l'avenir reste un sujet de recherche et de débat. L'industrie dentaire et la bijouterie de luxe utilisent cependant déjà l'impression 3D avec succès pour la réalisation de pièces finales. Les industries aérospatiale, automobile et l'industrie du cinéma utilisent également déjà l'impression 3D avec succès pour des pièces finies. Certains utilisateurs d'imprimantes 3D personnelles ou de services d'impression 3D en ligne utilisent aussi déjà quotidiennement des objets imprimés en 3D. Débuté en janvier 2013, le projet Amaze de l'Agence spatiale européenne vise à permettre l'impression en 3D, de manière industrielle, de pièces exploitables dans l'aérospatial ainsi que d'autres domaines à fortes contraintes. Par ailleurs, à Amsterdam, un pont imprimé en 3D devrait être mis en service en 2017, pour relier deux berges d'un canal large de 6,5 mètres.


Une maquette de façade d'immeuble créée par impression tridimensionnelle.
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