Le Grand Guide de l’Impression 3D

1 • QU’EST-CE QUE L’IMPRESSION 3D ?

L’impression  3D englobe de nombreux procédés de  fabrication en trois dimensions (3D) dans différents matériaux. Pour la plupart des procédés, la fabrication 3D se fait couche par couche par l’accumulation de matière. C’est donc l’inverse des autres méthodes de fabrication qui se basent sur la suppression de matière (par la taille, la découpe ou le limage par exemple), le coulage  ou le moulage. La méthode de fabrication par impression 3D n’en est qu’à ses débuts et apparaît déjà comme une révolution dans notre manière de produire ou de consommer.

Les bases

Il existe plusieurs techniques différentes pour imprimer un objet en 3D que nous allons développer plus tard. Ce nouveau procédé de fabrication est innovant dans sa manière de créer des produits. Les objets sont pré-créés de manière numérique et sont ensuite créés avec des formes complexes par ajout de matériau.

La création numérique et la modélisation 3D

Il existe sur le marché de nombreux logiciels de création 3D. Ces logiciels professionnels peuvent coûter très cher et nécessitent une formation pour pouvoir bien les utiliser. Il existe également des logiciels bien plus abordables où de simples novices peuvent créer des objets 3D basiques.

La révolution apportée par l’impression 3D est également dans la démocratisation de son utilisation. En effet, si vous ne maîtrisez par les logiciels de création 3D, il vous est possible de télécharger des modèles 3D préconçus. Il existe en ligne de nombreuses bibliothèques de modèles 3D libres de droits.

Ce fichier 3D est appelé fichier STL, pour en savoir plus, lisez notre article sur le sujet !

La fabrication par addition de matériaux

La méthode de fabrication via impression 3D est perçue comme l’une des technologies les plus innovantes de ces dernières décennies. Le point le plus novateur est sa méthode de fabrication additive. Ce point est radicalement différent des autres procédés de fabrication jusque là utilisés. Cette méthode permet de maîtriser la fabrication d’un objet au millimètre près.

Les autres processus de fabrication aujourd’hui automatisés comme le moulage, l’usinage ou le coulage sont également complexes et nécessitent des machines et des ordinateurs. Cependant, ces processus nécessitent tous la soustraction de matière, ce qui pose des limites dans une logique de fabrication à grande échelle.

Les processus de fabrication traditionnels exigent des contraintes aujourd’hui discutables comme la perte et le gaspillage du bloc de matériau d’origine. L’impression 3D permet de créer directement l’objet sans perte de matière.

La technologie qui entoure l’impression 3D offre de nombreuses possibilités d’innovation et de liberté de création, tout en étant un processus sans outils et rapide à reproduire. Ce qui signifie que le coût de production est extrêmement réduit. Cette technologie se présente également comme plus écologique et respectueuse de l’environnement, grâce au processus de fabrication qui élimine la perte de matière, et au niveau de la durée de vie des produits grâce à une conception plus légère et solide.

Aujourd’hui l’impression 3D a dépassé l’étape du prototypage et de la production industrielle car cette technologie est accessible aux petites entreprises ainsi qu’aux particuliers à un prix abordable.

2 • LA JEUNE HISTOIRE DE L’IMPRESSION 3D

La naissance de l’impression 3D

Les premières technologies de rapprochant de l’impression 3D apparaissent dans les années 80. Les premiers modèles d’impression 3D servent à créer des prototypes d’objets. Le premier brevet d’imprimante 3D est déposé en 1986 par Charles Hull qui cofonde la société 3D Systems et qui est aujourd’hui une des plus grandes entreprises dans le secteur de l’impression 3D.

En 1987, Carl Deckard, employé à l’université du Texas, dépose une brevet pour un procédé de frittage par laser sélectif.

Deux ans après en 1989, Scott Crump, cofondateur de l’entreprise Stratasys, dépose un brevet pour la modélisation par dépôt de fil fondu (Fused Deposition Modelling, FDM). Cette méthode est utilisée par de nombreuses machines d’impression 3D et est présente dans les imprimantes 3D d’entrée de gamme et de moyenne gamme du fait de leur coût peu élevé.

Les années 90 et 2000

Depuis le début des années 90 et 2000, l’impression 3D se démocratise de plus en plus. Cela permet le développement de nouvelles technologies plus innovantes et moins coûteuses. On peut définir deux marchés de l’impression 3D : le marché des imprimantes 3D destinées aux industries et celui des imprimantes 3D destinés aux particuliers et petits commerçants (ou petites industries), moins coûteuses.

Les imprimantes 3D destinées aux industries présentent des capacités de productions très élevées et surtout permettent des créations plus complexes et à grand volume. Ces technologies demandent une forte connaissance dans le domaine de la technologie autour de l’impression 3D, que ce soit sur la technologie elle-même ou les logiciels de création. Ces productions à haute valeur commencent à être visibles dans différents secteurs comme l’automobile, l’aérospatiale, la médecine ou la joaillerie par exemple.

Les imprimantes 3D destinées aux particuliers ou aux petits commerçants proposent de plus en plus d’options et caractéristiques propres aux imprimantes 3D industrielles. En effet, ce nouveau marché qui se livre une guerre de prix se voit proposer des imprimantes 3D pour quelques centaines d’euros et avec des options toujours plus nombreuses. En dix ans le prix de cette technologie a beaucoup baissé.

Présenté par certains économistes et industriels comme la dernière révolution industrielle que connait l’humanité, on ne peut nier l’impact certain que l’impression 3D va avoir sur nos modes de vie.

3 • LA TECHNOLOGIE INNOVANTE DE L’IMPRESSION 3D

Le processus d’impression 3D débute par un modèle numérique 3D créé via un logiciel. Le modèle est ensuite découpé en plusieurs couches pour qu’il soit lisible par l’imprimante 3D. Le matériau utilisé par l’imprimante 3D est ensuite superposé couche par couche en fonction du modèle 3D et du processus de fabrication. Comme indiqué précédemment il existe différents procédés de fabrication 3D qui utilisent différents matériaux. Les plastiques, les métaux, les céramiques et le sable sont aujourd’hui utilisés pour le prototypage et la production industrielle. Il existe également des recherches sur l’impression 3D de biomatériaux, d’aliments et de matières organiques.

Comment fonctionne une imprimante 3D ?

Les imprimantes d’entrée de gamme ne permettent seulement qu’un certain nombre de matériaux limités. Le plastique est largement utilisé mais de plus en plus de matières sont disponibles à prix raisonnable comme le nylon. Certaines machines permettent également l’impression 3D de produits alimentaires en sucre ou en chocolat par exemple.

Nous l’avons indiqué précédemment, les différents types d’imprimantes 3D utilisent chacun une technologie différente qui traite plusieurs matériaux de différentes manières. C’est un point important car il permet de comprendre que l’une des limites actuelles de l’impression 3D est qu’il n’y a pas de solution universelle pour tous les matériaux et toutes les imprimantes.

Les différents types d’imprimantes 3D

Il existe par exemple des imprimantes qui traitent les matériaux en poudre (nylon, plastique, céramique, métal) et utilisent une source de chaleur pour fondre et faire fusionner les poudres en couches successives. D’autres imprimantes utilisent des matériaux en résine polymère et un laser pour solidifier la résine en couches très fines. Le jet de gouttelettes est un autre processus de création plus proche des imprimantes à jet d’encre, mais avec des liants en plus du matériau de base pour fixer les couches. Cependant, la méthode la plus répandue est la fabrication par dépôt de matière. Cette méthode consiste à extruder des plastiques sous forme de filaments chauffés pour former des couches et créer une forme prédéfinie. En outre, une fois l’objet façonné, il devra parfois subir une opération de finition supplémentaire non pris en charge par l’imprimante comme le ponçage, la peinture, etc.

4 • LES PROCÉDÉS D’IMPRESSION

La stéréolithographie

La stéréolithographie est le premier procédé d’impression en 3D (créé par Charles Hull); elle a été la première à être commercialisée. Ce procédé est basé sur la création d’un modèle numérique pour la fabrication d’un prototypage. La stéréolithographie  fonctionne avec des résines photopolymères liquides qui réagissent avec un laser et se durcissent pour former une pièce précise.

Pour faire simple, la résine est maintenue dans une cuve dans laquelle se trouve une plateforme mobile. Des faisceaux lasers sont dirigés sur la surface de la résine et va la faire durcir. La plateforme va se déplacer couche par couche pour créer un modèle en 3 dimensions jusqu’à ce que l’objet soit terminé.

Ce procédé est considéré comme l’un des plus précis et avec l’une des finitions la plus aboutie.

Le traitement numérique de la lumière

Le traitement numérique de la lumière (ou DLP pour Digital Light Processing) est un procédé de fabrication similaire à la stéréolithographie car il fonctionne également avec des photopolymères. La différence se trouve dans la source de lumière, car le DLP utilise des lampes à arc, avec un panneau à cristaux liquides ou un dispositif à miroir déformable qui  est appliqué sur toute la surface de la cuve. La fabrication est généralement plus rapide avec une imprimante à traitement numérique de la lumière qu’avec la stéréolithographie.

Le frittage laser ou fusion au laser

Le frittage laser ou fusion au laser sont deux termes qui font référence à une méthode d’impression 3D basée sur un laser et l’utilisation de matériaux en poudre. Ici aussi le matériau de base, la poudre compacte, est positionnée sur une plateforme mobile et va être balayée par des faisceaux laser qui vont faire fusionner les particules entre elles pour les solidifier. A chaque couche la poudre tombe progressivement et un rouleau va lisser la poudre sur la surface avant le passage suivant du faisceau. L’avantage de cette méthode est la possibilité d’utiliser la matière en poudre comme support pour la création de pièces complexes. Cependant cette méthode a également comme inconvénient de nécessiter une température précise durant le processus de fabrication, ce qui peut engendrer un temps de refroidissement important

L’extrusion / FDM / FFF

La fabrication par dépôt de fil fondu ou FDM (Fused Deposition Modeling) de matériaux est la méthode la plus courante pour les impressions 3D. C’est le premier procédé d’impression en trois dimension développé par la société Stratasys. Ce procédé consiste à faire fondre un fil de plastique à l’aide d’une extrudeuse et de déposer couche par couche le plastique sur une plateforme. Le plastique chauffé se durcit pour former l’objet créé par l’imprimante.

L’injection d’encre

Le procédé d’impression 3D utilisant le jet d’encre est divisé en deux techniques :

1 – Le jet liant :

Le jet pulvérisé par l’imprimante est un liant qui va faire fusionner la poudre dans la cuve pour former un objet. L’avantage est, comme l’impression avec traitement numérique de la lumière, de pouvoir utiliser la poudre comme support pour créer des objets plus complexes. De plus, différents matériaux peuvent être utilisés avec le jet d’encre comme la céramique ou des aliments. L’autre avantage est le fait de pouvoir intégrer un colorant directement dans l’encre et d’éviter la phase de peinture après la création de l’objet.

2 – Le jet de matériaux :

Le jet projette des matériaux liquides ou fondus sur le support. Ces matériaux sont généralement des photopolymères, c’est à dire qu’ils nécessitent le passage sous une lampe UV pour durcir après chaque couche. L’avantage de cette méthode permet de projeter plusieurs matériaux à la fois à l’aide de différentes tête de pulvérisation, même si ces matériaux ont des propriétés différentes.

Le laminage  par dépôt sélectif

Le laminage par dépôt sélectif est une technique d’impression 3D utilisant de simples feuilles de papier avec du liant pour former un objet. Chaque couche est formée de papier et la colle projetée par l’imprimante va former les contours de l’objet final. Les contours sont soigneusement découpés par un laser ou une lame. Cette méthode permet d’imprimer directement en couleur. De plus, le produit final créé à l’aide de feuille de papier est proche du bois. Il est donc possible de travailler l’objet comme du simple bois. Un autre avantage de cette technique est son atout éco-responsable car avec le laminage par dépôt sélectif on évite la découpe d’un bois et il est possible d’utiliser du papier recyclé.

5 • LES MATÉRIAUX UTILISÉS POUR L’IMPRESSION 3D

Depuis les débuts de l’impression 3D, les matériaux possibles à cette usage se sont multipliés. Aujourd’hui il est possible d’utiliser plusieurs matériaux dans différents états : poudre, filaments, résine, granulés, etc. De nos jours, chaque matériau est développé selon un usage spécifique, comme pour le milieu dentaire par exemple, ce qui multiplie les possibilités en impression 3D.

Les plastiques

Le plastique, ou le nylon, est souvent utilisé en filament ou poudre pour l’impression d’objets en 3 dimensions. Il est initialement solide et donc, fondu pour pouvoir le former selon son modèle numérique. L’avantage du plastique est qu’il est très facile à modeler et à utiliser. Il est également possible de colorer le plastique pour créer des objets en couleur ou d’utiliser du plastique en poudre mélangé à de l’aluminium pour obtenir de l’alumine.

Pour en savoir plus sur le nylon en impression 3D, rendez-vous sur notre article !

Les métaux

De plus en plus de métaux rentrent dans la liste des matières propices à l’impression 3D, le plus souvent sous forme de poudre. Les deux métaux les plus courants dans ce domaine sont des dérivés de l’aluminium et du cobalt. Cependant, le métal le plus résistant et le plus utilisé est l’acier inoxydable en poudre. Naturellement argenté il est facilement associable avec d’autres métaux pour patiner sa couleur et le rendre plus proche du bronze ou de l’or. Pour le secteur de la bijouterie en particulier, l’or et l’argent sont les deux métaux les plus intéressant à travailler. Le titane est lui plus fréquemment utilisé dans le secteur industrielle.

Pour en savoir plus sur l’impression 3D en métal, rendez-vous sur notre article !

Les céramiques

Récemment la céramique a fait son entrée dans le secteur de l’impression 3D. La céramique est un matériau tout aussi intéressant à travailler que les métaux ou le plastique mais a comme inconvénient qu’elle doit subir le même traitement que toutes pièces en céramique traditionnelles, c’est à dire la cuisson et le l’émaillage. Contrairement aux autres matériaux donc, la céramique créée par impression 3D ne peut être un produit totalement fini après impression.

Les biomatériaux

Les biomatériaux sont très prometteurs particulièrement dans le domaine médicale. Des impressions 3D de tissus vivant sont à l’état d’étude pour permettre plus tard l’impression d’organes pour la transplantation ou de tissus pour réparer des zones endommagées. La recherche se tourne également vers l’impression de produits comestibles, comme la viande dans l’objectif de réduire la surexploitation des animaux par exemple.

La nourriture

Ici le secteur de l’impression 3D est encore à ses débuts car on dispose aujourd’hui d’imprimantes seulement capable d’imprimer des construction à base de sucre ou de chocolat. Cependant la recherche dans l’impression 3D de nourriture progresse très vite. A terme l’objectif est de pouvoir imprimer un repas sain complet en 3D.

6 • L’IMPACT MONDIALE DE L’IMPRESSION 3D

Quel est l’impact de l’impression 3D dans l’industrie ?

On peut déjà remarquer un impact du secteur de l’impression 3D sur la fabrication des produits. Cette technologie redéfinie l’implication sociale, économique, environnementale et sécuritaire de la production de biens, et ce de manière positive. Un des atouts de cette nouvelle technologie est la réduction des intermédiaires entre producteurs et consommateurs. La chaîne d’approvisionnement étant réduite, il est plus facile de proposer des produits personnalisés et surtout de réduire les stocks. Tous ces avantages ont pour effet également de faire baisser le prix des produits.

On peut également prédire que la fabrication sur place éliminera les besoins de transports et donc réduira l’impact écologique. Un des objectifs est de permettre à terme à tous les consommateurs, privés ou publics, d’avoir leur propre imprimante 3D et de pouvoir imprimer eux-mêmes leurs produits. Cet objectif futur, questionne également sur l’optimisation de certains produits déjà existants qu’une imprimante 3D pourrait améliorer, comme la création de nouvelles formes que seule une imprimante 3D pourrait créer.

Un possible impact sur l’économie mondiale ?

L’impact du secteur de l’impression 3D sur l’économie mondiale est encore à l’étude. Il est aujourd’hui difficile de prévoir comment sera un monde où la production et la consommation sera très localisée alors que notre économie actuelle est basé sur la mondialisation des échanges.

Les imprimantes 3D pourrait être bénéfiques en créant une nouvelle industrie et de nouveaux emplois mais pourrait tout autant être source de pertes d’emplois et victime de piratage. Nous l’avons vu l’impression 3D pourrait également réduire l’impact écologique de notre mode de consommation ou créer de nouvelles solutions médicales ou alimentaires pour l’être humain.

7 • QUELS SONT LES AVANTAGES DE L’IMPRESSION 3D ?

Nous avons déjà abordé rapidement quelques avantages que l’impression 3D pourrait apporter. Nous allons ici développer les différents points que ce secteur pourrait révolutionner et améliorer. Tout comme le service d’impression 3D de pièces détachées par Partedis, de nombreuses opportunités de fabrication sont nées.

Une personnalisation presque infinie

L’impression 3D permet une personnalisation très pointue des objets, en fonction des besoins et des désirs du consommateur ou du producteur. Les personnalisations peuvent être apportés sans besoins supplémentaires de matériaux, donc sans surcoûts potentiels.

La complexité des formes et des matériaux

Le secteur de l’impression 3D voit se multiplier les matériaux et techniques de production. Cela engendre des possibilités de création de plus en plus grandes et surtout des possibilités de création de plus en plus complexes. Cette complexité est recherchée à la fois dans le domaine industriel et également artistique. La recherche étudie des matériaux avec des caractéristiques plus intéressantes (plus de résistance, plus de souplesse, etc.) ce qui préfigure des créations plus innovantes.

Une baisse du coût de l’outillage

Un des avantages de l’impression 3D est la baisse du coût de l’outillage et des qualifications nécessaires à l’utilisation de ces outils. Cette baisse se répercute sur le prix final du produit qui est donc plus compétitif économiquement.

Une technologie éco-responsable et respectueuse de l’environnement ?

L’impression 3D apparaît de plus en plus comme une technologie éco-responsable qui peut apporter une révolution dans notre façon de produire, en utilisant à grande majorité des matériaux standards, et donc en créant moins de déchets, et également en créant des produits avec une plus longue durée de vie grâce aux nouvelles matières développées. De plus, le modèle économique de fabrication locale et à la demande, permet de supprimer la problématique de stock et de logistique à forte empreinte écologique.

8 • QUELLES APPLICATIONS À L’IMPRESSION 3D ?

A l’origine la création de l’impression 3D était destinée au prototypage de pièces pour accélérer la phase de développement de nouveaux produits. L’impression 3D devait pouvoir permettre la fabrication rapide et en série de prototypes pour pouvoir apporter des améliorations plus efficacement. C’est un gain de temps et d’argent. Cette utilisation est encore aujourd’hui l’application la plus courante de l’impression 3D.

L’amélioration constante des imprimantes 3D et des matériaux utilisés ont permis de dégager de nouvelles possibilités d’utilisation :

Le service après-vente

La gestion du service après-vente est un point intéressant pour l’impression 3D. Nous avons tous été confrontés à l’impossibilité de trouver des pièces de rechange pour un produit acheté longtemps auparavant. Les fabricants ne commercialisent souvent plus des pièces détachées pour leurs anciennes gammes de produits, si ce n’est jamais.

L’impression 3D peut aujourd’hui répondre à ce besoin et produire des pièces détachées personnalisées et à la demande. Cela évite ainsi aux consommateurs de jeter leur produit et de racheter seulement la pièce manquante. Partedis s’est donc lancé dans ce service pour pouvoir répondre à la demande de ses clients.

Le secteur médical et dentaire

Le secteur médical est un secteur à très fort potentiel pour l’impression 3D, tant grâce aux capacités de personnalisation pour chacun des clients, que pour les avancées scientifiques qu’apporte l’impression 3D. Les perspectives d’amélioration de la vie pour les être humains grandissent au fur et à mesure que de nouveaux matériaux sont développés, ou qu’une nouvelle technologie 3D apparaît.

Aujourd’hui les imprimantes 3D sont utilisées pour de nombreuses applications. En plus de la fabrication de prototypes pour soutenir le développements de nouveaux produits médicaux, cette technologie est également utilisée pour la création de modèles pour le moulage de couronnes dentaires ou encore dans la fabrication d’outils. On utilise les imprimantes 3D également pour fabriquer des implants ou des produits sur-mesure pour chacun des patients, comme des semelles orthopédiques par exemple.

Les recherches portent également sur l’impression 3D de tissus vivants pour pouvoir à terme imprimer des organes, des os ou de la peaux, cela dans l’objectif de pouvoir remplacer des éléments endommagés chez l’être humain. L’impression de produits pharmaceutiques est également en étude. Cependant ces applications ne verront le jour que dans plusieurs années.

Le secteur de l’aérospatiale

L’aérospatiale a été un des premiers secteur à intégrer l’impression 3D, principalement dans la phase de développement de produits sous forme de prototypes. Aujourd’hui le secteur aérospatiale utilise l’impression 3D pour fabriquer des éléments de formes complexes en matériaux très résistants.

Le secteur automobile

Le secteur automobile a développé l’utilisation d’imprimante 3D pour la création de  prototypes dans un premier temps. Aujourd’hui la création de nouveaux matériaux résistants utilisés par les imprimantes 3D permettent au secteur automobile d’intégrer cette technologie dans le processus de fabrication de pièces automobiles. Les imprimantes 3D sont également prometteuses dans le domaine du service après-vente pour la fabrication de pièces endommagées à remplacer. Cela permettrait de réduire considérablement les stocks et de pouvoir répondre de manière personnalisée.

La bijouterie et l’orfèvrerie

La bijouterie se tourne aussi vers la technologie d’impression 3D au fur et à mesure que le développement permet de créer de nouvelles formes et d’utiliser de nouvelles matières.

L’architecture et le secteur immobilier

Les architectes et cabinets d’architectes ont intégrés l’usage de l’impression 3D pour la création de modèles miniatures de leurs constructions. La possibilité de l’imprimante 3D de créer des formes complexes a sût séduire la créativité de nombreux architectes. Plus récemment certains architectes et professionnels de la construction ont développés des imprimantes 3D capables d’imprimer des éléments architecturaux comme des briques ou des murs complets. Ces recherches, si elles aboutissent, pourront permettre plus tard de répondre à des défis architecturaux et aux problèmes du secteurs immobilier.

L’industrie agroalimentaire

L’impression 3D est utilisé aujourd’hui dans la gastronomie pour créer des formes impossibles à fabriquer avec les méthodes de cuisine traditionnelles. Les éléments utilisés dans l’impression 3D d’aliments sont principalement du sucre ou du chocolat. Cependant des études sont menés pour pouvoir imprimer à grand échelle des aliments nutritifs et sains.

Crédit : visuels réalisés par Macrovector