Fonctionnement de l'impression 3D

Il n'y a pas si longtemps, l'idée de l' impression 3D - créer des objets en trois dimensions à l'aide de machines qui ajoutent des couches de matériau les unes sur les autres - semblait nouvelle. Si vous dites que vous allez imprimer quelque chose à partir de votre ordinateur, la plupart des gens pensent encore à l'impression bidimensionnelle, en mettant du toner ou de l'encre sur un morceau de papier. Maintenant, même si de nombreuses personnes n'ont peut-être pas expérimenté l'impression 3D elles-mêmes, elles savent peut-être très bien de quoi vous parlez. Et les imprimantes 3D sont devenues suffisamment abordables pour commencer à apparaître dans les maisons, les espaces de travail et les salles de classe.

L'impression 3D utilise une famille de technologies de fabrication appelée fabrication additive (FA). AM est le moyen de créer un objet en ajoutant de la matière à l'objet couche par couche. AM est la terminologie actuelle établie par ASTM International (anciennement l'American Society for Testing and Materials) [source: Gibson, et, al. ]. Tout au long de son histoire, la fabrication d' additif en général est passé par divers noms: stéréolithographie , stratification 3-D et l' impression 3D . Cet article utilise le terme impression 3D car il est plus connu.

Vous pouvez voir certains des principes de base derrière AM dans les grottes; pendant des milliers d'années, l'eau qui goutte crée des couches et des couches de dépôts minéraux, qui s'accumulent pour former des stalagmites et des stalactites . Contrairement à ces formations naturelles, cependant, l'impression 3D est beaucoup plus rapide et suit un plan prédéterminé fourni par un logiciel informatique. L'ordinateur demande à l'imprimante 3D d'ajouter chaque nouvelle couche en tant que section transversale précise de l'objet final.

La fabrication additive et l'impression 3D en particulier, continuent de croître. La technologie qui a commencé comme un moyen de construire des prototypes rapides est maintenant un moyen de créer des produits pour les industries médicale, dentaire, aérospatiale et automobile. L'impression 3D se transforme également en fabrication de jouets et de meubles, en art et en mode.

Cet article examine la vaste portée de l'impression 3D, de son histoire et de ses technologies à son large éventail d'utilisations, y compris l'impression de vos propres modèles 3D à la maison. Voyons tout d'abord comment l'impression 3D a vu le jour et comment elle se développe aujourd'hui.

1. Histoire de l'impression 3D
2. Impression 3D directe et reliure
3. Photopolymérisation et frittage
4. Le processus d'impression 3D
5. La révolution de l'impression 3D
6. Inconvénients de l'impression 3D
7. Impression 3D à la maison

La première utilisation de la fabrication additive a été le prototypage rapide (PR) à la fin des années 80 et au début des années 90. Les prototypes permettent aux fabricants d'examiner de plus près la conception d'un objet et même de le tester avant de produire un produit fini. RP permet aux fabricants de produire ces prototypes beaucoup plus rapidement qu'auparavant, souvent dans les jours ou parfois les heures suivant la conception de la conception. Dans RP, les concepteurs créent des modèles à l'aide d' un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO), puis les machines suivent ce modèle logiciel pour déterminer comment construire l'objet. Le processus de construction de cet objet en "imprimant" ses sections transversales couche par couche est devenu connu sous le nom d'impression 3D.

Le développement le plus précoce des technologies d'impression 3D a eu lieu au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et dans une société appelée 3D Systems. Au début des années 1990, le MIT a développé une procédure qu'il a déposée sous le nom d'impression 3-D, qu'il a officiellement abrégé en 3DP. Depuis septembre 2019, le MIT a accordé des licences à six entreprises pour utiliser et promouvoir le processus 3DP dans ses produits [source: MIT ].

3D Systems, basé à Rock Hill, en Caroline du Sud, a été le pionnier et a utilisé une variété d'approches d'impression 3D depuis sa création en 1986. Il a même déposé certaines de ses technologies, telles que l' appareil de stéréolithographie (SLA) et le frittage sélectif au laser. (SLS), chacune décrite plus loin dans cet article. Alors que le MIT et 3D Systems restent des leaders dans le domaine de l'impression 3D, d'autres entreprises ont également introduit de nouveaux produits innovants sur le marché professionnel, en s'appuyant sur ces technologies AM.

Aujourd'hui, une partie de la même technologie d'impression 3D qui a contribué à RP est maintenant utilisée pour créer des produits finis. La technologie continue de s'améliorer de diverses manières, de la finesse des détails qu'une machine peut imprimer au temps nécessaire pour nettoyer et finir l'objet une fois l'impression terminée. Les processus s'accélèrent, les matériaux et les équipements deviennent moins chers et davantage de matériaux peuvent être utilisés, y compris les métaux et la céramique. Les machines à imprimer vont désormais de la taille d'une petite voiture à la taille d'un four à micro-ondes.

La fabrication additive est souvent comparée, voire confondue, à un autre processus de fabrication courant appelé usinage à commande numérique par ordinateur (CNC). Cependant, CNC est soustractif, ce qui est le contraire de AM. Dans l'usinage CNC, la matière est retirée d'un bloc préexistant jusqu'à ce que le produit fini reste, un peu comme une sculpture d'une statue dans la pierre.

Maintenant que vous avez des informations générales sur le domaine, explorons quelques technologies d'impression 3D.

Une approche de l'impression 3D est l'impression 3D directe . L'impression 3D directe utilise la technologie jet d'encre , disponible pour l'impression 2D depuis les années 1960 [source: Gibson, et al. ]. Comme dans une imprimante à jet d'encre 2D, les buses d'une imprimante 3D se déplacent d'avant en arrière pour distribuer un fluide. Contrairement à l'impression 2D, cependant, les buses ou la surface d'impression se déplacent de haut en bas, de sorte que plusieurs couches de matériau peuvent couvrir la même surface. De plus, ces imprimantes n'utilisent pas d'encre; ils distribuent des cires épaisses et des polymères plastiques, qui se solidifient pour former chaque nouvelle section transversale de l'objet 3D robuste.

Le prototypage rapide (RP), que nous avons décrit plus tôt dans l'article, a été un facteur majeur dans la croissance de l'impression 3D directe. En 1994, le ModelMaker, une machine produite par une société connue sous le nom de Solidscape, est devenu la première technologie à succès commercial à appliquer l'approche jet d'encre à la RP [source: Gibson, et al. ]. D'autres produits commerciaux RP ont suivi. Par exemple, les produits de prototypage rapide avancés d'aujourd'hui utilisent des technologies telles que la modélisation multi-jets (MJM), qui crée rapidement des prototypes de cire avec des dizaines de buses fonctionnant simultanément [source: GWP ].

L'impression 3D à reliure , comme l' impression 3D directe, utilise des buses à jet d'encre pour appliquer un liquide et former chaque nouvelle couche. Contrairement à l'impression directe, cependant, l'impression à reliure utilise deux matériaux distincts qui se réunissent pour former chaque couche imprimée: une poudre sèche fine plus une colle liquide ou un liant . Les imprimantes 3D Binder effectuent deux passes pour former chaque couche. La première passe déroule une fine couche de poudre et la seconde passe utilise les buses pour appliquer le liant. La plate-forme de construction s'abaisse ensuite légèrement pour accueillir une nouvelle couche de poudre, et l'ensemble du processus se répète jusqu'à ce que le modèle soit terminé.

Le processus 3DP du MIT, mentionné précédemment, utilise cette approche de liant. Le MIT autorise les entreprises à développer des produits qui utilisent 3DP, mais pour se qualifier, l'entreprise doit utiliser une combinaison unique de matériaux en poudre et de liant.

L'impression 3D avec reliure présente quelques avantages par rapport à l'impression 3D directe. Premièrement, elle a tendance à être plus rapide que l'impression directe car moins de matériau est appliqué à travers les buses. Un autre avantage est que vous pouvez incorporer une plus grande variété de couleurs et de matériaux dans le processus, y compris des métaux et des céramiques.

Modélisation des dépôts fondus (FDM)

La modélisation par dépôt fondu (FDM) est une approche de fabrication additive similaire, mais pas identique, à l'impression 3D directe. Le procédé FDM, déposé par Stratasys, Inc., comprend l'injection de plastique fondu dans des lignes étroitement compactées à l'aide de très petites buses. FDM peut créer des objets avec des caractéristiques aussi petites qu'une fraction de millimètre. [source: Grimm ]

La photopolymérisation est une technologie d'impression 3D par laquelle des gouttes de plastique liquide sont exposées à un faisceau laser de lumière ultraviolette. Lors de cette exposition, la lumière transforme le liquide en un solide. Le terme vient de la photo des racines, signifiant lumière et polymère, qui décrit la composition chimique du plastique solide .

Dans les années 2000, le Piémont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM) était un partenariat d'écoles et d'entreprises qui offrait une formation pratique dans le domaine du travail des métaux en Caroline du Nord. Une partie de la formation de PT CAM a incorporé un appareil de stéréolithographie (SLA) de 3D Systems. SLA utilise la photopolymérisation, dirigeant un laser sur une cuve de plastique liquide appelée photopolymère . Comme pour l' impression 3D à jet d' encre , le SLA répète ce processus couche par couche jusqu'à ce que l'impression soit terminée.

Le frittage est une autre technologie de fabrication additive qui consiste à faire fondre et fusionner des particules ensemble pour imprimer chaque coupe successive d'un objet. Le frittage sélectif au laser (SLS) est une forme de frittage utilisée dans l'impression 3D. SLS s'appuie sur un laser pour fondre une poudre de plastique ignifuge, qui se solidifie ensuite pour former la couche imprimée. Ceci est similaire au mécanisme des imprimantes 2D: elles font fondre le toner afin qu'il adhère au papier et crée l'image.

Le frittage est naturellement compatible avec la construction d'objets métalliques car la fabrication du métal nécessite souvent un certain type de fusion et de remodelage. Un exemple d'utilisation du métal comme matériau de frittage provient de 3D Systems [source: 3D Systems ]. Les objets créés avec LaserForm A6 présentent plusieurs avantages par rapport aux produits métalliques fabriqués par d'autres moyens, tels que le moulage sous pression. L'un des plus grands avantages est le haut niveau de précision que SLS peut atteindre.

Jusqu'à présent, nous avons examiné comment l'impression 3D s'est développée et quatre technologies d'impression 3D largement adoptées. Ensuite, examinons le processus général d'impression d'objets en trois dimensions, qui s'applique quelle que soit l'approche que vous utilisez.

Quelle que soit l'approche utilisée par une imprimante 3D, le processus d'impression global est généralement le même. Dans leur livre " Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing ", Ian Gibson, David W. Rosen et Brent Stucker énumèrent les huit étapes suivantes du processus de FA générique:

La disponibilité et l'accessibilité croissantes des solutions d'impression 3D ont rendu la technologie attrayante pour les personnes de nombreux secteurs. Par exemple, l'industrie automobile utilise la technologie d'impression 3D depuis de nombreuses années pour le prototypage rapide de nouvelles conceptions de pièces automobiles. L'image ci-dessus montre un prototype de manifold créé par le Piémont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM).

La profession médicale a adopté avec enthousiasme l'impression 3D pour un certain nombre d'utilisations, telles que l'impression de prothèses. Les prothèses traditionnelles de fabrication professionnelle peuvent être coûteuses, mais une imprimante 3D pourrait fabriquer une main prothétique pour aussi peu que 50 $ [source: Amputee Coalition ]. De même, le Walter Reed Army Medical Center a utilisé l'impression 3D pour produire des modèles que les chirurgiens peuvent utiliser comme guide pour la chirurgie reconstructive du visage [source: King ]. Plusieurs fabricants d'imprimantes 3D professionnelles vendent des machines spécialement conçues pour les travaux dentaires.

Les ingénieurs de l'industrie aérospatiale intègrent l'impression 3D pour tester et améliorer ses conceptions ainsi que pour montrer à quel point elles fonctionnent [source: Gordon ]. La société de recherche EADS a une ambition encore plus audacieuse pour l'impression 3D: fabriquer elle-même des pièces d'avion, y compris une aile entière pour un gros avion . Les chercheurs d'EADS y voient une technologie verte, pensant que les ailes imprimées en 3D réduiront le poids d'un avion et, par conséquent, sa consommation de carburant. Cela pourrait réduire les émissions de dioxyde de carbone et la compagnie aérienne d'environ 3 000 $ au cours d'une année. [source: The Economist ]

L'impression 3D a également des applications esthétiques intéressantes. Les designers et les artistes l'utilisent de manière créative pour produire de l'art, de la mode et du mobilier. Le graphiste Torolf Sauermann a créé des sculptures géométriques colorées en utilisant l'impression 3D [source: Jotero GbR ]. Freedom of Creation (FOC), une société aux Pays-Bas, vendait des produits imprimés en 3D en polyamide fritté au laser, y compris des éclairages aux motifs géométriques complexes et des vêtements composés d'anneaux en plastique imbriqués qui ressemblent à de la cotte de mailles. FOC compte également un certain nombre d'entreprises clientes qui utilisent ses services de conception et d'impression, notamment Philips, Nokia, Nike, Asics et Hyundai [source: FOC ].

Une application plus savoureuse de la technologie d'impression 3D vient de l'industrie du chocolat, qui a développé des machines capables de créer des articles de confiserie uniques. Bien qu'elles ne conviennent pas à la production de masse, les imprimantes 3D peuvent fabriquer des objets conçus par ordinateur en tant que prototypes, ou tout simplement des friandises personnalisées uniques [source: Ooi ]. Vous cherchez quelque chose d'un peu plus savoureux? Vous pouvez utiliser des imprimantes 3D pour créer de nombreux types d'aliments - il doit s'agir de quelque chose que vous pouvez réduire en purée pour l'introduire dans la machine - mais vous pouvez faire des hamburgers avec l'impression 3D. Une chose à noter: les aliments imprimés ont une texture différente de celle des aliments traditionnels [source: Houser ].

Historiquement, l'impression 3D a été une technologie coûteuse. Le SLA de PTCAM, décrit plus haut dans l'article, coûte plus de 250 000 $; le plastique liquide coûte environ 800 $ le gallon. Les organisations qui possédaient ce type d'équipement peuvent vendre des services de stéréolithographie à d'autres ou permettre aux entreprises d'acheter des blocs de temps pour utiliser l'équipement.

Aujourd'hui, de nombreuses grandes machines AM industrielles sont encore chères, bien que moins qu'avant. Par exemple, en septembre 2019, le ProJet CPX 3000MJP 3600 de 3D Systems se vendait moins de 100000 $ et pouvait produire des modèles en haute définition jusqu'à 11,75 pouces sur 7,3 pouces sur 8 pouces (298 millimètres sur 185 millimètres sur 203 millimètres) [sources: BasTech ].

En plus du prix, il existe d'autres inconvénients avec les imprimantes 3-D. Ils consomment beaucoup d'énergie, environ 100 fois plus d'énergie électrique que la fabrication ordinaire. Les chercheurs ont également découvert qu'ils peuvent émettre beaucoup de particules cancérigènes et de composés organiques volatils, en particulier lorsqu'ils sont utilisés dans un petit espace comme une maison. Le plastique utilisé pour la plupart des projets 3D a également ses propres problèmes. Les restes de plastique provenant de projets 3D finiront probablement dans des décharges et contribueront à la crise terrestre avec du plastique jetable. La résistance supplémentaire du plastique varie et peut ne pas être la meilleure pour tous les composants d'un projet. Les imprimantes 3-D sont également lentes et un projet peut prendre plusieurs jours ou plusieurs heures à imprimer [source: 3-D Insider ].

Il est probable que bon nombre de ces problèmes seront résolus au fil du temps, à mesure que la technologie s'améliorera. Mais d'autres problèmes peuvent persister. Par exemple, des gens ont déjà fabriqué des armes à feu à l'aide d'imprimantes 3-D , y compris un homme qui s'est vu refuser un permis d'armes à feu plus tôt . Des mesures peuvent-elles être prises pour empêcher les gens d'utiliser des imprimantes 3D pour fabriquer des fusils, des couteaux et d'autres armes? Les violations des droits d' auteur sont également préoccupantes . Les gens pouvaient se procurer des plans et imprimer un objet plutôt que de l'acheter au titulaire du brevet ou du droit d'auteur. Il peut être difficile pour un titulaire de brevet de retrouver la personne (ou des centaines de personnes) qui imprime quelque chose de breveté et revendique des violations du droit d'auteur.

Bien que ce ne soit toujours pas courant, les imprimantes 3D apparaissent dans plus de foyers, de bibliothèques , d'écoles et d'espaces de fabrication.

Les prix de ces machines ont également diminué à mesure que la technologie évoluait. Par exemple, à partir de 2019, une MakerBot Replicator Mini + commence à 1 299 $ [source: MakerBot ]. La société vend de petites bobines de son matériau PLA dans 12 couleurs standard à partir de 18 $ et des couleurs en édition limitée (qui brille dans le noir, n'importe qui?) Moyennant des frais supplémentaires.

Si vous ne voulez pas faire des folies sur une machine pour un usage domestique, vous pouvez toujours en construire une vous-même. Par exemple, le physicien et blogueur Windell Oskay a construit sa propre imprimante 3D en 2007 qui fabrique des objets à partir de sucre en utilisant une approche de frittage. Le projet, appelé CandyFab, a un site Web dédié à CandyFab.org . Bien que le projet soit arrêté, vous pouvez toujours en savoir plus à ce sujet et comment il l'a fait fonctionner.

Pour une approche plus professionnelle, vous pouvez acheter des services d'impression 3D à la place. Ces services vous permettent d'envoyer vos propres fichiers CAO et de récupérer une production de haute qualité de votre ou des objets créés par une imprimante 3D industrielle. Les entreprises en ligne qui offrent des services d'impression 3D comprennent Shapeways et Ponoko. Ces sites vous offrent également la possibilité de créer une boutique en ligne, ce qui vous permet de gagner de l'argent lorsque d'autres achètent des impressions 3D de votre conception. [source: Shapeways , Ponoko ]

L'impression 3D continue de s'améliorer à mesure que son coût diminue. Peut-être qu'à l'avenir, ces machines seront des outils courants utilisés pour remédier aux problèmes quotidiens tels que l'impression de projets scolaires ou l'impression d'une nouvelle clé domestique au lieu de se rendre à la quincaillerie pour un remplacement.

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