Impression 3DL'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, est un processus de fabrication d'objets solides en trois dimensions à partir d'un fichier numérique. La création d'un objet imprimé en 3D est réalisée à l'aide de procédés additifs. Dans un processus additif, un objet est créé en déposant des couches successives de matériau jusqu'à ce que l'objet soit créé. Chacune de ces couches peut être considérée comme une fine coupe horizontale de l'objet final.
L'impression 3D est le contraire de la fabrication soustractive, qui consiste à découper/évider une pièce de métal ou de plastique à l'aide d'une fraiseuse, par exemple.
L'impression 3D permet de produire des formes complexes (fonctionnelles) en utilisant moins de matériaux que les méthodes de fabrication traditionnelles.
Comment fonctionne l'impression 3D
Les trois étapes de base du processus d'impression 3D sont les suivantes :
- Concevoir et modéliser numériquement l'objet que vous souhaitez créer
- Préparation et installation de l'imprimante 3D
- Impression de l'objet couche par couche
Conception du modèle 3D
La première étape de l'impression 3D consiste à réaliser une conception virtuelle de l'objet que vous souhaitez construire. Les logiciels de modélisation 3D permettent de réaliser cette conception.
Les logiciels de modélisation 3D les plus répandus sont les suivants :
- Blender
- AutoCAD
- SketchUp
- Fusion 360
- Tinkercad
- 3ds Max
- Maya
Les scanners 3D peuvent également être utilisés pour créer un modèle numérique en scannant un objet existant. Les données de numérisation obtenues sont ensuite converties en un modèle 3D.
Les logiciels de CAO (conception assistée par ordinateur) sont souvent utilisés pour modéliser des pièces de machines et des outils. La conception est constituée de croquis en 2D qui sont extrudés ou tournés pour former des objets en 3D.
Une fois le modèle numérique terminé, le logiciel de l'imprimante 3D le découpe en centaines ou milliers de couches horizontales.
Le fichier en tranches montre le chemin que la tête d'impression doit suivre pour recréer l'objet couche par couche. Le fichier contient également des informations sur les motifs de remplissage et les densités de matériaux.
Le logiciel de découpage prend en compte des paramètres tels que la hauteur des couches, le pourcentage de remplissage et la vitesse d'impression lorsqu'il crée les couches d'impression.
Les logiciels de tranchage les plus répandus sont les suivants :
- Guérison
- Slic3r
- Simplifier3D
- KISSlicer
Préparation de l'imprimante 3D
Pour préparer une imprimante 3D, l'étape de fabrication doit être mise à niveau et le matériel d'impression approprié doit être chargé.
- Pour les imprimantes à filament, le tube de guidage du filament est enfilé jusqu'à l'extrudeuse.
- Pour les imprimantes à lit de poudre, le réservoir de poudre est rempli.
- Les réservoirs de résine sont remplis de résine liquide dans le cas des imprimantes de stéréolithographie.
La surface du lit d'impression doit être installée et préparée en fonction du matériau à imprimer. Il peut s'agir par exemple de ruban de peintre, de feuilles de PEI, de colle, etc.
Une fois que l'imprimante 3D est configurée avec le bon matériau, le fichier tranché est transféré à l'imprimante. Ce transfert peut s'effectuer via une clé USB, une connexion Wi-Fi ou une connexion filaire.
La dernière étape de préparation consiste à ajuster les paramètres du logiciel de l'imprimante, par exemple :
- Résolution d'impression
- Vitesse d'impression
- Soutien
- Vitesse du ventilateur de refroidissement
- Température du lit
- Température de l'extrudeuse
- Et divers autres paramètres personnalisés
Lorsque l'impression est lancée, la première couche est imprimée sur la plate-forme de construction. Le reste de l'objet est ensuite construit couche par couche jusqu'à son achèvement.
Comment les couches sont-elles formées ?
Il existe plusieurs façons de former des couches dans l'impression 3D pour construire un objet. Les principales technologies d'impression 3D sont brièvement expliquées ci-dessous.
Extrusion de matériaux
L'extrusion de matériaux, également connue sous le nom de Fused Deposition Modeling (FDM), est la technologie d'impression 3D grand public la plus répandue. Elle est utilisée par les imprimantes 3D domestiques abordables.
Dans le cas du FDM, le filament thermoplastique tel que le PLA, le PETG ou l'ABS est déroulé d'une bobine et introduit dans une tête de buse d'extrusion. La buse peut se déplacer horizontalement et verticalement grâce à des moteurs commandés avec précision.
La buse chauffe le filament au-dessus de son point de fusion et l'extrude sur la plate-forme de construction (ou la dernière couche imprimée) où il durcit. L'objet est construit couche par couche, chaque couche se solidifiant et adhérant à la couche inférieure.
Les structures de soutien sont construites pendant les surplombs et les ponts. Une fois l'impression terminée, la structure de soutien peut être enlevée.
L'application la plus populaire du FDM est le prototypage.
Polymérisation de la TVA
La technologie la plus courante en matière de polymérisation de la TVA est la stéréolithographie (SLA).
Le SLA utilise un conteneur rempli de résine photopolymère liquide qui est durcie par un laser UV.
La plate-forme de construction est située juste en dessous de la surface du réservoir de résine. Le faisceau laser trace le motif de la première couche sur la résine liquide qui se solidifie.
La plate-forme se soulève alors légèrement et le laser trace la couche suivante juste au-dessus de la précédente. Cette opération se poursuit jusqu'à ce que l'objet soit entièrement construit.
L'excès de résine fluide est continuellement drainé. Après l'impression, l'objet doit être rincé dans un solvant pour éliminer l'excès de résine.
Les supports sont nécessaires pendant l'impression mais sont relativement faciles à détacher après l'impression en raison des propriétés de la résine.
Les lignes d'impression lisses combinées aux propriétés autonivelantes de la résine permettent à ce procédé de créer des pièces très précises avec une excellente qualité de surface.
Le SLA est souvent utilisé pour les assemblages, les prototypes et les pièces finales.
Fusion des lits de poudre
La fusion sur lit de poudre consiste à fusionner sélectivement des zones d'un lit de poudre. Les technologies les plus courantes sont les suivantes :
Frittage sélectif par laser (SLS): Utilise un laser à haute puissance pour fusionner de petites particules de poudre de polymère. La poudre est étalée uniformément sur une plate-forme de construction à l'aide d'un rouleau ou d'une lame. Le laser sintérise sélectivement les particules de poudre dans la section transversale de l'objet. Lorsqu'une couche est terminée, la plate-forme s'abaisse, de la poudre est répandue sur le lit et le processus se répète jusqu'à ce que la pièce soit terminée. L'excès de poudre soutient l'objet pendant l'impression et ne nécessite pas d'autres structures de soutien.
Fusion sélective par laser (SLM): La SLM est similaire à la SLS mais utilise de la poudre de métal au lieu de matières plastiques. Le laser à haute puissance fait fondre la poudre de métal au lieu de la fritter. Les alliages de titane, les aciers à outils, l'acier inoxydable et l'aluminium sont souvent utilisés dans la technique SLM.
Fusion par faisceau d'électrons (EBM): Utilise un faisceau d'électrons au lieu d'un laser pour faire fondre sélectivement des couches de poudre métallique. Les vitesses de fabrication sont rapides, mais le processus nécessite un vide, ce qui rend l'EBM coûteux. Ce procédé est couramment utilisé pour les implants médicaux et les composants aérospatiaux.
Jets de matériaux
La projection de matériaux est souvent appelée impression PolyJet et fonctionne de la même manière que les imprimantes papier 2D à jet d'encre. Mais au lieu de projeter des gouttes d'encre sur le papier, la résine photopolymère durcie aux UV est projetée sur une plate-forme de construction.
Les couches sont durcies par la lumière UV après chaque passage de la tête d'impression. La résine non durcie est retirée à la fin du processus de construction, ne laissant que l'objet 3D solide.
Des structures de soutien sont également imprimées, dans un matériau amovible semblable à un gel, chaque fois que cela est nécessaire.
La projection de matériaux permet de réaliser des impressions multi-matériaux en utilisant plusieurs têtes d'impression. Certains matériaux sont semblables au caoutchouc, transparents ou résistants aux températures élevées.
La précision est excellente et les lignes de calque sont difficilement visibles. Ce procédé permet de créer des objets très détaillés. La projection de matériaux est principalement utilisée pour le prototypage rapide.
Jetting de liant
Deux matériaux sont utilisés pour la projection de liant :
- Un matériau en poudre tel que le grès, la céramique, l'acier inoxydable ou le cobalt-chrome.
- Un liant qui est un agent de liaison liquide.
Le liant est déposé sélectivement sur le lit de poudre pour lier les particules de poudre entre elles. La plate-forme de construction s'abaisse, la poudre est étalée sur le lit à l'aide d'un rouleau et le processus se répète.
Une fois l'impression terminée, l'excès de poudre non liée est éliminé, ne laissant que l'objet lié. Le frittage peut être effectué comme étape finale pour augmenter la densité, la résistance et la douceur de la pièce.
Ce procédé permet des vitesses d'impression rapides et l'impression d'objets de grande taille. La projection de liant est applicable au moulage en sable, au moulage en métal et à la céramique. Il est également utilisé pour l'impression en quadrichromie.
Lamination de feuilles
Dans la fabrication d'objets stratifiés (LOM), des feuilles de matériau sont collées pour former un objet. Le matériau le plus courant est le papier.
Un laser découpe chaque feuille de papier dans la forme requise pour cette couche particulière.
Le papier découpé est ensuite laminé sur la couche précédente à l'aide de chaleur et de pression. Des lasers découpent des motifs en croix dans les couches stratifiées pour une meilleure adhérence.
Une fois l'objet terminé, l'excédent de matériau est découpé. LOM produit des prototypes bon marché et des produits en papier personnalisés.
Dépôt d'énergie dirigée
Les méthodes de dépôt direct de métal fusionnent le métal au fur et à mesure qu'il est déposé. Une buse extrude une poudre ou un fil métallique qui est soumis à un laser ou à un faisceau d'électrons à haute énergie au point d'extrusion.
La source de chaleur fait fondre le matériau pour déposer des billes de métal en fusion sur une plaque de base ou une pièce existante.
La buse et la source de chaleur peuvent être déplacées sur les axes x, y et z pour déposer le matériau exactement à l'endroit voulu. L'excédent de matériau sert de support pendant l'impression.
Les méthodes DED permettent de réparer et de modifier des pièces métalliques existantes. Elles permettent également la fabrication hybride en combinant les techniques additives et soustractives.
Matériaux utilisés dans l'impression 3D
De nombreux matériaux différents peuvent être utilisés pour l'impression 3D. Les matériaux disponibles dépendent du processus d'impression.
Plastiques
Les plastiques les plus couramment utilisés dans l'impression 3D sont les suivants :
- ABS: Plastique durable et résistant aux chocs. Utilisé pour les prototypes fonctionnels et les produits finis.
- PLA: Fabriqué à partir d'amidon de maïs, le PLA est biodégradable. Utilisé pour le prototypage et l'impression amateur.
- PETG: Plus résistant que le PLA, le PETG est souvent utilisé pour fabriquer des outils et des produits nécessitant une plus grande résistance.
- Nylon: Les filaments de nylon de qualité technique présentent une grande solidité, une grande ténacité et une grande résistance à l'usure. Ils sont souvent utilisés pour les pièces finales.
- Polycarbonate: Extrêmement solide et résistant à la chaleur jusqu'à 110oC. Utilisé pour les produits finis durables.
- Résines photopolymères: Utilisées dans les procédés SLA, PolyJet et autres procédés similaires en cuve. Les résines offrent une précision et une finition de surface excellentes.
Parmi les autres plastiques spécialisés, citons le PLA et l'ABS conducteurs, les supports PVA, les thermoplastiques à haute température (PEEK, PEI, PEKK), les résines souples (TPU), les matériaux composites, etc.
Métaux
Les différents métaux largement utilisés dans l'impression 3D sont les suivants :
- Aluminium: Léger mais résistant. Utilisé dans les applications aérospatiales.
- acier inoxydable: Métal résistant à la corrosion, adapté aux produits exigeant une grande résistance et une bonne stérilisabilité.
- titane: Extrêmement résistant et de faible densité. Utilisé pour les implants médicaux et les composants aérospatiaux.
- Cobalt-Chrome: Métal biocompatible souvent utilisé pour les implants dentaires et orthopédiques.
- Superalliages de nickel: Alliages résistants à la chaleur utilisés dans les pièces de turbines et de moteurs d'avion.
- Métaux précieux: Les bijoux en or, en argent et en platine peuvent être imprimés en 3D.
Autres matériaux
Parmi les autres matériaux imprimés en 3D, citons
- Grès: Imprimé par jet de liant à des fins de moulage et d'architecture.
- Céramique: Utilisé dans les composants techniques en céramique.
- Cire: Convient pour les modèles de bijoux et le moulage.
- Béton: Bâtiments et constructions architecturales imprimés.
- Alimentation: Le chocolat, les biscuits, les pâtes et d'autres aliments peuvent être imprimés.
- Cellules: L'impression d'organes utilise des sphéroïdes d'encre biologique contenant des cellules vivantes.
- Composites: Des mélanges de métaux, de plastiques et de céramiques peuvent être imprimés.
Au fur et à mesure que la technologie de l'impression 3D se développe, de plus en plus de matériaux deviennent imprimables. Des recherches sont en cours dans des domaines tels que le verre, les textiles et l'impression électronique.
Principaux avantages de l'impression 3D
L'impression 3D présente plusieurs avantages par rapport à la fabrication traditionnelle :
- Liberté de conception – ; Des géométries uniques et complexes sont imprimables, ce qui n'est pas possible avec le moulage par injection ou l'usinage. L'allègement et la consolidation des pièces permettent également d'améliorer la fonctionnalité.
- Personnalisation – ; La personnalisation de masse est possible en modifiant les fichiers CAO numériques pour chaque impression. De petits lots personnalisés et des produits sur mesure peuvent être produits.
- Vitesse – ; Le prototypage s'effectue rapidement, en quelques jours, contre plusieurs semaines avec les techniques conventionnelles. Les pièces peuvent également être produites à la demande en cas de besoin.
- Rentabilité – ; L'élimination de l'outillage dans la fabrication permet de réduire les coûts pour les productions en petites séries. Le gaspillage de matériaux est réduit en n'utilisant que les quantités nécessaires.
- Fabrication décentralisée – ; Les fichiers de pièces numériques peuvent être envoyés rapidement et à moindre coût à des imprimantes 3D réparties dans le monde entier. Permet la fabrication et la réparation sur place.
- L'innovation – ; La complexité est gratuite et le prototypage par essais et erreurs favorise les possibilités d'innovation. Les produits peuvent être améliorés de manière itérative.
L'impression 3D offre de nouvelles possibilités de fabrication impossibles à réaliser avec les anciennes méthodes. Elle a trouvé des applications dans les secteurs de la santé, des soins dentaires, de l'automobile, de l'aérospatiale, de l'architecture, de la bijouterie et dans bien d'autres secteurs.
Applications de l'impression 3D
La technologie de l'impression 3D a de nombreuses applications dans différents secteurs. Voici quelques-uns des principaux domaines d'application :
- Prototypage – ; Itérer rapidement et optimiser la conception des produits. Valider la fonctionnalité, l'adaptation et la fabricabilité.
- Outillage – ; Imprimez en 3D des outils de production tels que des gabarits, des fixations, des jauges d'inspection et des aides à l'assemblage pour l'atelier de fabrication.
- Production de pièces – ; Les pièces à usage final peuvent être fabriquées de manière additive pour les commandes personnalisées ou en petits lots. Réduction des coûts opérationnels.
- Aérospatiale – ; Les fabricants d'avions et de fusées impriment des pièces légères pour réduire la consommation de carburant. Également utilisé pour les pièces de rechange à la demande.
- Automobile – ; Les constructeurs automobiles utilisent l'impression 3D pour le prototypage et la production de pièces spécialisées à faible volume. Des intérieurs et des conduits d'air personnalisés sont également imprimés.
- Soins de santé – ; Les prothèses, les implants et les modèles anatomiques personnalisés aident les médecins et améliorent la planification chirurgicale. Les produits pharmaceutiques imprimés permettent un dosage plus précis.
- L'éducation – ; Les écoles utilisent les imprimantes 3D pour enseigner les principes de conception. Les élèves peuvent mettre la technologie en pratique.
- La construction – ; Les maisons et les structures en béton imprimées en 3D prennent forme. La construction automatisée sur site permet des architectures uniques.
- Alimentation – ; Les imprimantes 3D produisent des chocolats personnalisés, des en-cas et des décorations de gâteaux complexes. Des repas nutritionnels peuvent être imprimés pour les voyages dans l'espace.
- La mode – ; Plusieurs créateurs intègrent désormais l'impression 3D dans leurs lignes de chaussures et de vêtements. Des accessoires et des bijoux sont également fabriqués.
- Art & ; Design – ; Les artistes utilisent l'impression 3D pour réaliser des sculptures, des luminaires, des meubles et d'autres pièces expressives. Cette technologie offre un potentiel créatif illimité.
Ce ne sont là que quelques-unes des nombreuses applications de l'impression 3D. Au fur et à mesure que les capacités de la fabrication additive s'améliorent, de plus en plus d'industries adopteront cette technologie.
L'avenir de l'impression 3D
La technologie de l'impression 3D s'est considérablement développée au cours de la dernière décennie. Cependant, elle a encore beaucoup d'espace et de potentiel pour se développer. Voici quelques-unes des avancées auxquelles nous pouvons nous attendre :
- Expansion des matériaux – ; Davantage de matériaux d'ingénierie tels que les polymères à haute performance et les alliages métalliques deviendront imprimables. Les matériaux biocompatibles feront progresser les applications médicales de l'impression 3D. L'impression électronique permettra de créer des composants intelligents et des appareils IoT.
- Taille du système – ; Les systèmes à plus grande échelle permettront d'imprimer en une seule pièce des objets de taille humaine. Les systèmes plus petits fourniront des solutions de fabrication de bureau.
- Vitesse & ; résolution – ; Des taux de construction plus rapides permettront la fabrication en masse. Une meilleure résolution augmentera la complexité géométrique et la finition des surfaces. Des têtes d'impression supplémentaires permettront une sophistication multi-matériaux.
- Intégration de l'industrie 4.0 – ; Les systèmes d'impression 3D s'intégreront au fil numérique tout au long du cycle de vie du produit. La conception, la simulation, la production, le contrôle de la qualité et le suivi des pièces seront de plus en plus automatisés.
- Fabrication distribuée – ; Adoption accrue de la production localisée. Les ingénieurs peuvent imprimer des modèles personnalisés sur place pour les remplacements et les réparations. Réduction des coûts d'expédition et de l'impact sur l'environnement.
- Construction & ; architecture – ; Les imprimantes 3D à grande échelle aideront à construire les futures infrastructures en utilisant du béton et des composites personnalisés. Des formes structurelles uniques pourront être imprimées.
La technologie de l'impression 3D va transformer la fabrication en un modèle plus durable, distribué et centré sur le client. Elle permet aux entreprises de débloquer de plus grandes capacités d'innovation tout en économisant du temps et de l'argent.
FAQ
Comment fonctionne l'impression 3D ?
L'impression 3D consiste à construire des objets couche par couche à l'aide d'un processus additif. Un modèle numérique en 3D est découpé en couches et l'imprimante dépose de la matière dans chaque section transversale jusqu'à ce que la pièce soit complète. Des technologies telles que la modélisation par dépôt fusionné, la stéréolithographie, le frittage sélectif par laser et d'autres sont utilisées.
Avec quels matériaux peut-on imprimer en 3D ?
L'impression 3D peut utiliser des plastiques tels que l'ABS, le PLA, le PETG, le nylon et les photopolymères. Les métaux comme l'acier inoxydable, l'aluminium, le titane, le cobalt-chrome et les métaux précieux peuvent être imprimés. Les autres matériaux comprennent le grès, les céramiques, la cire, le béton, les aliments et les bio-encres. De nouveaux matériaux sont continuellement introduits.
Quels sont les avantages de l'impression 3D ?
Les avantages de l'impression 3D sont les suivants
- Liberté de conception pour réaliser des formes complexes
- Personnalisation et adaptation des produits
- Prototypage rapide et validation des conceptions
- Coûts réduits pour la fabrication de petits lots
- Capacité à décentraliser la fabrication
- Moins de déchets de matériaux et des conceptions optimisées
- L'innovation par le développement itératif
Quelles sont les applications de l'impression 3D ?
L'impression 3D a de nombreuses applications dans tous les secteurs :
- Prototypage de produits
- Fabrication de pièces à usage final sur mesure
- Production d'outillage spécialisé
- Composants aérospatiaux et automobiles
- Dispositifs médicaux et implants personnalisés
- Recherche pharmaceutique et dosage des médicaments
- Aides à l'enseignement et à l'éducation
- Construction de maisons et de bâtiments
- Impression alimentaire repas personnalisés
- Accessoires de mode et de costume
- Sculptures d'art et pièces de design
Quel est l'avenir de l'impression 3D ?
L'avenir de l'impression 3D comprend :
- Capacités accrues en matière de matériaux et d'impression électronique
- Systèmes à petite et grande échelle
- Vitesse et résolution accrues
- Intégration de l'impression 3D dans la fabrication numérique
- Croissance de la production distribuée et localisée
- Construction d'infrastructures et de structures architecturales