Qu'est-ce que l'impression 3D ?

 Le principe de l'impression 3D repose sur le dépôt de matière selon les 3 axes (X,Y et Z) permettant de réaliser n'importe quel objet, avec comme seules limites, votre imagination.


Dans l'impression 3D, 4 grandes technologies différentes sont disponibles :


1. FDM - Fused Deposition Modeling (Dépôt de matière fondue).

" La technologie, plus connue sous son nom anglais de ‘Fused Deposition Modeling’ (FDM), a été développée par S. Scott Crump à la fin des années 80 et commercialisée en 1990 par Stratasys (USA), entreprise dont il est le fondateur.

Qui dit « impression 3D » dit « modèle 3D », tout commence par la conception de l’objet à partir d’un logiciel de CAO (CATIA, SolidWorks, ProEngineer par exemple). Le fichier 3D obtenu, le plus souvent au format .STL, est découpé en plusieurs couches via un logiciel comme Makerware, avant d’être envoyé à la machine.

L’impression 3D démarre par la mise à température de la machine (autour de 200°C), nécessaire pour la fusion de la matière. Une fois la machine chauffée, un fil de matière, de l’ordre de 0.1 millimètre de diamètre, est alors extrudé sur une plateforme à travers une buse se déplaçant sur 3 axes, x, y et z. La plateforme descend d’un niveau à chaque nouvelle couche appliquée, jusqu’à impression de l’objet.

Cette technologie est compatible avec un large choix de polymères thermoplastiques (ABS, Polycarbonate, PPSF pour polyphenylsulfone, et ULTEM), ce qui se traduit par une grande gamme de couleurs (98% des couleurs de Photoshop sont disponibles), d’excellentes propriétés mécaniques et de bio-compatibilités. En plus, il est aussi possible d’imprimer avec des filaments de bois et de pierre (LayWood et LayBrick respectivement), et du céramique et des matières alimentaires en faisant des adaptations au niveau de la tête d’extrusion. En conséquence, le dépôt de matière fondue est utilisé dans de nombreux domaines: l’aérospatiale, l’automobile, l’architecture, le médical, la décoration, l’art et la cuisine, autant pour le prototypage rapide que pour la fabrication de pièces fonctionnelles. "  Source - 3Dnatives

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2.Frittage Sélectif par Laser

"Il existe plusieurs procédés et une grande variété d’imprimantes, tous adaptés à des besoins différents. Dans cet article on s’intéresse à la technologie développée par Dr. Carl Deckard, et brevetée chez DTM Corporation (actuellement 3D Systems) à Austin, USA.

Cette technique, connue en anglais sous le nom de ®SLS (selective laser sintering), permet d’imprimer des objets fonctionnels sans avoir recours à un liant intermédiaire ou à une éventuelle étape d’assemblage. Avant l’impression, l’objet est conçu à partir d’un logiciel de CAO (CATIA, SolidWorks, ProEngineer par exemple) pour être envoyé à l’imprimante au format numérique. Ensuite, l’impression se fait couche par couche, à partir de poudres fusionnées, grâce à la température générée par un laser CO2.

Initialement, un premier conteneur est rempli du matériel en poudre (celui de gauche sur le schéma ci-dessus) tandis qu’un second conteneur reste vide (celui de droite sur le schéma). Les deux conteneurs possèdent chacun un piston, positionné vers le bas pour le conteneur plein et vers le haut, au niveau de la surface de la table, pour le conteneur vide. Le procédé commence par la déposition d’une couche fine de poudre (de l’ordre de 0,1 mm). A chaque aller retour, le premier piston se lève tandis que le second piston se baisse d’un cran égal à l’épaisseur de la couche (1). Deuxième étape, un rouleau passe sur la poudre et dépose une fine couche sur le deuxième conteneur (2). La couche déposée est balayée par le faisceau laser qui provoque la fusion puis la consolidation de la poudre (3). Les étapes sont répétées jusqu’à obtenir la pièce solide en 3D identique au fichier CAO d’origine (4).

Une vidéo pour mieux visualiser le procédé (en anglais):

Cette technologie rend possible la fabrication d’objets à partir d’une large gamme de matériaux, dont des métaux (titane, acier et alliages) et des polymères. Elle respecte les plus hautes exigences des matériaux comme la résistance mécanique et la résistance chimique à la température, permettant l’obtention de pièces totalement fonctionnelles. De plus, ce procédé permet de générer des pièces coloriables et sans contrainte de forme du fait de l’absence de support. Un haut niveau de qualité du produit est atteint tandis qu’on observe une grande stabilité lors du processus de fabrication.

En conséquence, ce procédé est utilisé, non seulement dans l’industrie du design mais également dans l’automobile, l’aéronautique et le génie biomédicale (les objets imprimés étant biocompatibles). Les deux grands fabricants d’imprimantes utilisant le frittage sélective par laser sont 3D Systems et EOS GmbH, chacun proposant un large choix d’imprimantes."

Source - 3Dnatives

3. Stéréolithographie

" La Stéréolithographie est considérée comme étant à l’origine des procédés d’impression 3D, avec le premier modèle breveté en 1986 par Charles Hull et la première machine commerciale développée par 3D Systems en 1988. Que trouve-t-on derrière cette technique?

Ce procédé, connu sous le nom de ® SLA (stereolithograph apparatus), utilise le principe de photo-polymérisation pour fabriquer des modèles, en résines acrylates ou époxys et en ABS, de toute taille et de géométrie complexe avec une grande précision. Avant l’impression, un fichier numérique 3D est obtenu via un logiciel de CAO (SolidWorks, Sculpt ou Maya par exemple) ou par un scan 3D (comme celui de MakerBot). Ce fichier, souvent en format STL (Standard Tessellation), est transmis à la machine, où un second logiciel réalise une découpe du modèle en plusieurs couches d’impression d’épaisseur fixe.

Procédé SLA // Copyright CustomPartNet 2008

Dans l’image ci-dessus, vous pouvez apprécier les différents composants d’une machine de stéréolithographie: un bassin de résine, une plate-forme mobile (axe z), un système de raclage (axe x), un laser des rayons UV, une optique de focalisation et un miroir galvanométrique (axes x et y).

Dans ce procédé, la pièce est imprimée sur une plate-forme horizontale, plongée dans un liquide plastique monomère. Initialement, la photo-polymérisation du monomère est provoqué par un rayon de lumière ultra-violette contrôlé à l’aide de déflecteurs (axe x et y) qui sont des miroirs très précis  montés sur des galvanomètres. Le faisceau laser balaie la surface de résine liquide en fonction du modèle 3D numérique transmis à l’imprimante. Une fois qu’une couche de matériau est solidifiée, la plate-forme descend de la valeur de l’épaisseur de la couche suivante et une nouvelle section est solidifiée. Ainsi, il y a autant de cycles que de couches nécessaires pour obtenir le volume complet de la pièce.

A différence des autres techniques comme le Frittage Sélectif par Laser, le Dépôt de Matière Fondue et l’impression 3D par PolyJet, un post-traitement au four est nécessaire pour finir la polymérisation et accroître au maximum la résistance du matériau, puis nettoyer la pièce avec un solvant.

Une vidéo pour mieux visualiser le procédé (en anglais):

Cette technologie est plus souvent utilisée pour le prototypage dans tous les domaines de l’industrie grâce à sa rapidité, mais, selon la qualité de l’imprimante, il est aussi possible d’obtenir des pièces immédiatement fonctionnelles. " Source 3Dnatives


4.  PolyJet

"L’impression 3D par PolyJet, brevetée par la société Objet Ltd. en 1999 (qui a fusionné avec Stratasys en 2012), combine la technologie Inkjet et l’utilisation de photopolymères (des matériaux qui durcissent au contact de la lumière ultraviolette). Cette technologie possède de nombreux avantages : une excellente résolution (jusqu’à 0,016 mm), des surfaces lisses (pas d’effet d’escalier contrairement aux objets imprimés par FDM) ainsi qu’un large choix de matières et de couleurs pour un coût et un temps d’impression relativement faibles.

Fonctionnement d’une imprimante Objet de chez Stratasys // Copyright Javel-Tech

Comme toute technique d’impression 3D, le processus commence par la création de l’objet souhaité à l’aide d’un logiciel de CAO (AutoCAD, Inventor ou SolideEdge par exemple), puis l’envoi du fichier 3D associé vers l’imprimante. Le logiciel de la machine découpe alors le modèle 3D en une multitude d’image numérique, chacune d’entre elle correspondant à une couche de l’objet.

Les têtes d’impression (au nombre de 8 sur le schéma ci-contre) possèdent chacune plusieurs dizaines d’embouts qui projettent des micro-gouttelettes de matière sur une plateforme. A chaque projection, une lumière ultraviolette est alors émise et vient durcir la matière.

Ces étapes sont répétées, couche par couche, jusqu’à obtention de la pièce, laquelle ne nécessite aucune étape de finition (cuisson, lissage, ou bien polissage…). Pour des géométries complexes, un matériau de support (un gel facile à enlever à la main ou à l’eau) est ajouté par une des têtes d’impression.

Une vidéo pour mieux visualiser le procédé (en anglais):

Cette technologie est compatible avec une large gamme de matériaux (plus de 120 environ) et permet même d’en combiner plusieurs simultanément (chacun stocké dans des têtes d’impression distinctes). Le matériau composite obtenu, appelé Digital Material, permet d’obtenir des prototypes assez performants pour se rapprocher du modèle final (résistance à la température, bio-compatibilité, rigide ou souple…) et aux couleurs multiples.

En conséquence, cette technique est utilisé dans divers domaines : en architecture, en médecine,  dans la fabrication de jouets, en aérospatiale, mais aussi dans les arts créatifs.

La société Stratasys commercialise 3 machines utilisant cette technologie d’impression 3D : l’Objet Desktop, l’Eden et la Connex." Source 3Dnatives

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