L’impressionnante imprimante 3D

Une innovation discrète en plein essor

- temps de lecture approximatif de 9 minutes 9 min - Modifié le 07/02/2020 par M.I.A

Devenue en très peu de temps une innovation incontournable dans le domaine de l'industrie, l’impression 3D a fait couler beaucoup d’encre. Pourquoi ? En quoi, cette technologie a-t-elle révolutionné nos modes de production ? Découvrons ensemble son fonctionnement et ses multiples applications.

Pixabay

Une naissance moins récente qu’il n’y paraît

En 1964, Arthur C. Clarke, l’auteur de 2001, l’Odyssée de l’espace avait déjà imaginé une machine capable de dupliquer à l’infini des objets « [aussi facilement] qu’aujourd’hui les livres à imprimer ». Tout comme la machine du professeur Tournesol dans Tintin et le Lac aux requins (1972), ces machines annonçaient les prémices d’un désir de révolution industrielle : produire vite et bien n’importe quel objet à l’aide d’une imprimante.

Issu des travaux de recherche des Français Alain Le Méhauté, Olivier de Witte et Jean-Claude André, le premier brevet de « fabrication additive » fut déposé le 16 juillet 1984. Ce brevet ne sera finalement jamais exploité en raison d’un désaccord avec leurs entreprises. Presque simultanément, l’américain Charles Hull dépose un brevet décrivant la technique de stéréolithographie. Ainsi, un nouveau procédé de création d’objets venait de naître. L’américain fonda en 1986 l’entreprise 3Dsystems, aujourd’hui leader du marché dans le domaine. Cette nouvelle technologie sera, dans un premier temps, principalement utilisée par les industriels pour le prototypage rapide.

Définition :

La « fabrication additive » désigne un ensemble de techniques très variées pouvant s’appliquer sur une multitude de matériaux. Ce processus consiste à créer des objets par dépôt de matières qui se solidifie selon différentes méthodes. A l’aide d’un logiciel et d’un fichier informatique représentant un objet en 3D, l’imprimante suit un parcours afin de concevoir ledit objet couche par couche. Il permet de passer rapidement d’un visuel 3D à une pièce fabriquée.

 

Les différentes techniques d’impression 3D

Selon la norme ISO 17296-2, il existe sept familles de techniques de fabrication additive. Les plus communes sont au nombre de trois :

  • La plus ancienne est la Stéréolithographie (SLA) qui consiste à immerger une plateforme mobile dans un bain de résine. La matière est solidifiée sous l’effet de la polymérisation à l’aide d’un laser. La plateforme va ensuite descendre successivement afin de créer l’objet souhaité couche par couche.

  • Le second procédé est appelé le Frittage Laser Sélectif (FLS breveté en 1997). Cette technique est très proche de la SLA. La résine est remplacée par une poudre qui est solidifiée à l’aide d’un laser ou un faisceau d’électrons.
  • Le dernier procédé est aujourd’hui le plus connu. Sur le principe du pistolet à colle, l’impression est réalisée par dépôt de matière fondue (FDM pour Fused Deposition Modeling breveté en 1989). C’est cette technique qui est utilisée par les imprimantes 3D à destination du grand public.

 

La démocratisation de l’impression 3D ?

Suite à l’expiration du brevet sur le procédé d’impression par dépôt de matière fondue détenu par Stratasys, le terme « Impression 3D » s’est rapidement démocratisé dans les années 2000.

RepRap

Source : Flickr (Prusa i3[…] selon le modèle RepRap)

En effet, devenue libre de droit, cette technologie a rapidement fait naître de nombreuses initiatives. Par exemple,  le projet RepRap.org initié en 2005 par deux Britanniques, a permis la diffusion de cette technologie à un large public.  Pour cela, ils ont créé et diffusé les plans d’une machine financièrement et techniquement accessible à tous. La grande innovation de cette imprimante était qu’elle était capable d’imprimer des objets en 3D, mais également de produire les pièces la constituant.

A la même période, Makerbot Industries se spécialise dans le développement de machines à destination des particuliers. Lancées à moins de 1000 euros, ces premières imprimantes ont rapidement intégré les FabLabs. Ressemblant fortement à une imprimante jet-d’encre de bureau, le terme « imprimante 3D » a rapidement fait l’unanimité dans la presse. Aujourd’hui, certaines imprimantes 3D à destination des particuliers coûtent moins de 200 euros.

D’abord réservée aux industriels, l’impression 3D est alors devenue accessible à un plus large public.

 

Une révolution industrielle en marche ?

A ses débuts, les ingénieurs utilisaient la technologie 3D principalement pour créer rapidement des prototypes. La fabrication additive fut principalement utilisée pour raccourcir les délais de développement. Elle permettait, contrairement à la technique d’injection, d’éviter de créer des moules longs et coûteux à fabriquer.

Si l’impression 3D est toujours utilisée à des fins de prototypage, ses évolutions techniques ont permis de l’intégrer aux processus de création de produits finaux.

Balle imprimé en 3D

Source : Pixabay

Elle permet contrairement aux modes de productions traditionnels :

  • de produire des pièces à géométrie complexes sans surcoût contrairement à l’usinage classique. Parfois inspirées de formes observées dans la nature, l’impression 3D est la seule technique permettant de réaliser ces pièces.
  • de créer des pièces uniques grâce à une personnalisation des formes, des couleurs et des matériaux. Ainsi le monde du cinéma a rapidement utilisé cette technologie : le masque de Star-Lord des Gardiens de la Galaxies ou encore le marteau de Thor ont été réalisés avec la technique de fabrication additive.

 

 

  • de créer des pièces mécaniques d’un seul tenant comme par exemple une clé à molette
  • de diminuer les pertes de matières premières

 

Une innovation encore limitée

Pour autant, la fabrication additive reste restreinte et ne remplace pas encore totalement les méthodes de fabrication classiques. En effet, pour l’instant, la fabrication de pièces en grande séries n’est pas économiquement viable. Notamment, en raison d’un rendement encore trop faible par rapport aux méthodes d’usinage traditionnelles. Par ailleurs, l’impression 3D demeure encore inadaptée aux besoins de la mécanique de précision. La qualité des pièces dépend de nombreux facteurs (température, machines, matériaux…)  ce qui engendre une incertitude sur leurs résistances lors d’utilisations futures.

Un autre frein pour l’industrie est la taille maximale des pièces qui demeure limitée. La conception de certaines pièces nécessite également la création de renforts (étais, évents) lors de la conception des modèles 3D afin d’éviter que la pièce ne se brise lors de son impression.

Enfin, il est souvent nécessaire d’intervenir sur les pièces afin d’améliorer la qualité des surfaces (ponçage, polissage).

 

Une technologie utilisée dans de nombreux domaines

Depuis 2016, l’impression 3D permet d’imprimer de la céramique, du cuivre, de l’acier, du béton, du sable de silice, de l’aérogel de graphène (matériau plus léger que l’air) mais également des gels et encres organiques. Les multiples possibilités offertes par l’impression 3D (personnalisation du design et des matériaux utilisés) ont permis son développement dans l’ensemble de l’industrie. En voici quelques exemples :

Dans l’industrie textile, grâce à l’utilisation de matériaux flexibles tels le PEBA ou le Nylon, un ingénieur est parvenu à  imprimer une robe dotée de capteurs et de LED capable de réagir à l’humeur de l’utilisateur qui la porte. Dans le domaine de l’électronique, cette technologie permet la réalisation de circuits flexibles imprimés à l’aide d’une encre électronique déposée sur une fine couche de silicium. Les applications sont nombreuses, en particulier dans le domaine des objets connectés portatifs.

Depuis quelques années le secteur de la construction et de l’immobilier s’est également intéressé à cette nouvelle technologie. Grâce au procédé de contour crafting, il est désormais possible d’imprimer une maison à moindre coût et respectueuse de l’environnement. Par ailleurs, deux laboratoires nantais ont développé une technologie, BatiPrint3D, capable d’imprimer en quelques jours un logement social conforme aux normes en vigueur.

Morceaux de sucres imprimés en 3D

Source : Flickr  (3D Printed Sugar Cubes by Sharp humor)

Le début de l’impression 3D dans le domaine de l’alimentation s’est initié en 2011. Des ingénieurs ont développé des imprimantes 3D capables de reproduire certains plats à partir d’ingrédients liquides ou semi-liquides. Il est possible d’imprimer de la pizza mais également du chocolat et du sucre.

Dans le secteur aéronautique et spatial, l’impression 3D permet de concevoir des pièces complexes ayant des propriétés aérodynamiques difficiles à obtenir avec des méthodes traditionnelles. Grâce aux bénéfices offerts par l’impression 3D, l’industrie spatiale tente d’améliorer les conditions de vie des astronautes dans l’espace. En 2014, les astronautes de la station spatiale internationale ont pu imprimer une clé à cliquet dans l’espace, à partir d’un fichier créé sur mesure sur Terre. Loin d’être un acte anodin, la fabrication additive permettra aux astronautes d’améliorer leur autonomie dans l’espace en leur permettant de créer n’importe quelles pièces sur-mesure en cas d’avarie.

De plus, la Nasa travaille sur des projets de construction d’une base lunaire imprimée en 3D afin de proposer un habitat durable sur la Lune.

 

La Bio-impression, une innovation majeure dans le domaine médical ?

L’impression 3D a peu à peu révolutionné le monde de la santé notamment avec l’apparition de la « bio-impression ». En effet, il est aujourd’hui possible d’imprimer des matériaux biologiques issus de cellules vivantes.

Développée en 1988 aux Etats-Unis, la « bio-impression », permet de produire artificiellement des structures cellulaires plus au moins complexes. Ce procédé consiste à déposer sur un support hydrogel ou plaque de culture des gouttelettes de bio-encre. Cette « bio-encre » est « composée de matériaux biosourcés d’origine animale ou végétale (collagène, sucre, cellulose, soie) et de cellules vivantes qui permettent d’obtenir des modèles complexes multicellulaires organisés. » De nos jours, il existe différentes méthodes de bio-impression : l’impression par jet-d’encre, par extrusion ou par laser. Source : Industrie&Pharma, n°124, décembre 2019.

L’industrie cosmétique fut  la première à s’emparer de la technologie d’impression 3D afin de fabriquer de la peau humaine. Comme l’explique Christophe Marquette, directeur de 3d.FAB, la fabrication de peau permet non seulement de réduire les tests sur les animaux, comme le préconise la législation européenne, mais également d’améliorer la fiabilité des résultats en testant des produits sur des tissus proches de ceux des patients. En effet, « neuf molécules sur dix testées sur des souris sont inefficaces sur l’homme ».

 

Vers une médecine « sur-mesure »?

La fabrication additive a  permis la création de prothèses (auditives, dentaires, membres artificiels) personnalisées et à faible coût (moins de 50 euros).

prothèse de main imprimé à l'aide d'une imprimante 3D

Source : Pixabay

Elle révolutionne également le domaine de la chirurgie reconstructive. Les chercheurs ont la possibilité d’imprimer des prothèses, des os artificiels mais également des pièces de fixation et des guides de coupes personnalisées à la morphologie du patient.

En 2013, des chercheurs ont créé une oreille humaine artificielle composée de collagène et de cellules vivantes. Néanmoins, « ces techniques ne sont pas encore au point pour l’humain » comme l’affirme Jean-Thomas Bachelet, chirurgien maxillo-facial aux Hospices Civils de Lyon. Source : Science et Avenir, n°873, septembre 2019.

Par ailleurs, l’impression 3D permet aux entreprises pharmaceutiques de créer des médicaments adaptés aux besoins des patients. Autorisée pour un seul médicament aux Etats-Unis en 2016, cette avancée technologique permettrait aux industriels d’accélérer l’évaluation des nouveaux médicaments. La création de médicaments « personnalisés » serait alors possible, mais à quel prix ?

 

Les innovations liées à la fabrication additive ne s’arrêtent pas là. Depuis peu, l’industrie se tourne également vers l’impression 4D avec des matériaux anisotropes c’est à dire « programmables ». Mais ceci est une autre histoire…

 

Pour aller  plus loin :

Conférence : L’impression 3D, une technologie révolutionnaire pour le XXIème siècle.

L'impression 3D Ouvrage sur les FabLab Les machines à commande numérique L'impression 3D Ouvrage Le Makerbot

 

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