Fabrication additive et impression 3D expliquées : Points clés et applications

Il y a beaucoup de confusion autour de ce que signifient les termes fabrication additive et impression 3D.

Et ce n'est guère surprenant. Après tout, les deux termes se rapportent à des processus très similaires.

La fabrication additive et l'impression 3D décrivent toutes deux un processus de création d'objets en construisant progressivement de fines couches de matériau.

Dans cet article, nous expliquerons exactement ce qu sont la fabrication additive et l'impression 3D, comment elles se rapportent l'une à l'autre, et à quoi elles servent.

À quoi sert la fabrication additive dans l'impression 3D ?

Dans la fabrication traditionnelle, les pièces sont souvent usinées à partir de blocs de matériau plus grands. En d'autres termes, du matériau est soustrait du bloc de départ pour former la pièce. Naturellement, cela cause beaucoup de gaspillage. Si vous avez déjà vu une vidéo d'un tourneur transformant un bloc solide de métal ou de bois en une pièce finie, vous avez probablement été frappé par la quantité massive de matériau gaspillé.

Par contraste, dans la fabrication additive, les pièces sont fabriquées en construisant des couches de matériau pour former la pièce finie. Comment cela fonctionne-t-il ? Cela dépend du type de fabrication additive utilisé.

Selon l'American Society for Testing and Materials (ASTM), il existe sept catégories de fabrication additive :

1. Photopolymérisation en cuve — les objets sont construits à partir de couches de résine photopolymère liquide, durcie par lumière ultraviolette
2. Fusion sur lit de poudre — les objets sont construits à partir de couches de poudre de matériau fondues (ou « fusionnées ») par chaleur ou laser puissant. Techniques courantes : frittage laser sélectif (SLS)
3. Jet de matériau — chaque couche d'un objet est construite à l'aide d'une tête d'impression, qui dépose des gouttelettes de matériau liquide sur une surface de construction où elles se solidifient rapidement. Une fois terminée, chaque couche est durcie par lumière ultraviolette
4. Stratification de feuilles — les objets sont construits à partir de feuilles ou rubans de métal, liés par soudage ultrasonique. La stratification de feuilles n'est pas une technique complètement additive, car le matériau excédentaire doit généralement être enlevé par des techniques de fabrication traditionnelles comme l'usinage CNC
5. Extrusion de matériau — le matériau est tiré à travers une buse, où il est chauffé et déposé en couches sur une plateforme de construction. Dans ce cas, aucun processus additionnel n'est nécessaire pour durcir les couches, car chaque couche est déposée à l'état fondu
6. Dépôt d'énergie dirigée — DED englobe une gamme de techniques complexes de fabrication additive utilisées pour réparer ou ajouter du matériau à des composants existants. Dans la plupart des implémentations, un matériau fondu est déposé à travers une buse sur la surface cible, où il se solidifie. Le processus est similaire en principe à l'extrusion de matériau, avec l'exception que la buse doit pouvoir se déplacer dans plusieurs directions pour tenir compte de surfaces cibles de formes différentes
7. Jet de liant — également connu sous le nom de impression 3D

Puisque cet article se concentre spécifiquement sur l'impression 3D pour la fabrication additive, nous examinerons de plus près celle-ci.

Quel est le processus de fabrication additive (impression 3D) ?

L'impression 3D utilise deux matériaux :

1. Un matériau à base de poudre, généralement plastique, métal ou céramique, et
2. Un liant, qui agit comme adhésif entre les couches de poudre. La plupart des liants se présentent sous forme liquide.

Le terme impression 3D vient de la similité visuelle du jet de liant avec l'impression 2D. Dans une imprimante jet d'encre standard, une tête d'impression se déplace horizontalement le long des axes X et Y pour déposer des gouttes d'encre sur une feuille de papier.

De même, pour construire un objet en utilisant l'impression 3D, la tête d'impression se déplace horizontalement le long des axes X et Y de la machine et dépose des couches alternées du matériau de construction et du matériau liant. Après chaque couche terminée, la plateforme de construction qui maintient l'objet est abaissée fractionnellement pour permettre l'impression de la couche suivante.

Selon la taille de l'objet imprimé, il peut nécessiter des centaines, des milliers, voire des dizaines de milliers de ces couches pour se terminer. Pour vous donner une idée de l'apparence du processus, jetez un œil à cette vidéo en accéléré d'un modèle de tour Eiffel imprimé en 3D.

Importance du logiciel de fabrication additive et d'impression 3D

Toutes les techniques de fabrication additive, y compris l'impression 3D, reposent sur des techniques de conception numérique comme la Conception Assistée par Ordinateur (CAO). En fait, tout le but de l'impression 3D est de transformer des conceptions numériques en objets réels.

Autrefois, les ingénieurs utilisaient des logiciels CAO combinés à des techniques rigoureuses de modélisation par simulation pour concevoir des objets qui seraient robustes et efficaces dans le monde réel. Mais il y avait un problème. Les techniques de fabrication traditionnelles comme l'usinage CNC et le moulage par injection s'accompagnent de certaines limitations, qui rendent impossible la production de ces objets par ailleurs « parfaits ».

C'est là qu'intervient la relation harmonieuse entre CAO et impression 3D. L'un des avantages les plus importants de l'impression 3D est qu'elle permet aux conceptions numériques d'être produites dans le monde réel sans les contraintes des techniques de fabrication traditionnelles.

La CAO et l'impression 3D permettent à la fabrication d'être pilotée par la conception, alors qu'historiquement, le processus de conception devait être piloté par ce qui était possible avec les techniques de fabrication conventionnelles. Cela donne aux ingénieurs une liberté de conception bien plus grande qu'auparavant et a facilité d'énormes percées dans plusieurs industries.

Bien que la plupart des logiciels CAO commerciaux aient introduit un module pour la fabrication additive, créer votre propre application CAO personnalisée pour la fabrication additive est assez simple avec les SDK 3D de Spatial. Consultez www.spatial.com pour en savoir plus.

En savoir plus sur la différence entre fabrication additive et impression 3D

1. Les 7 principaux types de fabrication additive
2. 6 percées médicales de l'impression 3D
3. Comment tirer pleinement parti de la CAO dans le processus de fabrication additive

Avantages de l'impression 3D fabrication additive sur les techniques de fabrication traditionnelles

Bien sûr, la liberté de conception n'est pas le seul avantage de l'impression 3D sur les techniques de fabrication traditionnelles. Certains des autres principaux avantages incluent :

• Produire des structures complexes mais légères avec les matériaux de fabrication additive et impression 3D.

Nous avons déjà noté que l'impression 3D permet de construire des objets qui ne peuvent pas l'être avec des techniques traditionnelles. Cependant, il vaut aussi la peine de noter que parce qu'ils sont construits couche par couche, des pièces hautement complexes peuvent être construites en une seule pièce. En même temps, grâce à la gamme de matériaux disponibles, même des pièces complexes imprimées en 3D peuvent être à la fois légères et à haute résistance à la traction.

• C'est moins cher pour des productions unitaires.

L'un des grands avantages de l'impression 3D est qu'elle ne nécessite aucun moule ni montage d'assemblage spécial. En conséquence, de petits lots d'objets unitaires peuvent être produits facilement et à un coût bien inférieur.

• Moins de gaspillage.

Comme déjà noté, l'impression 3D est une technique de fabrication additive, alors que de nombreuses techniques traditionnelles impliquent l'extraction de matériau. Ce fait seul signifie que l'impression 3D entraîne beaucoup moins de gaspillage que d'autres techniques de fabrication courantes.

• Mise sur le marché plus rapide.

Simplement, aucune autre technique ne permet aux fabricants de concevoir et construire des objets aussi rapidement que l'impression 3D. Cela est particulièrement précieux quand il s'agit de construire et tester des prototypes. C'est pour cette raison que l'impression 3D est devenue synonyme de l'une de ses applications les plus courantes : le prototypage rapide.

Impression 3D pour la fabrication additive utilisée pour construire des prototypes rapides

Le prototypage rapide est, tout simplement, la production rapide d'un objet physique, d'une pièce ou d'un modèle.

Toute technique de fabrication peut être utilisée dans le prototypage rapide, des techniques traditionnelles comme l'usinage CNC à des techniques plus modernes comme le soudage 3D. Pour des raisons évidentes, cependant, les technologies additives comme l'impression 3D sont les plus couramment utilisées.

Comme son nom l'indique, le prototypage rapide est principalement utilisé pour construire une série de prototypes, qui peuvent être rapidement testés et écartés jusqu'à ce que la meilleure conception soit trouvée. Cette approche itérative de la conception et de la fabrication a toujours été populaire et n'a fait que devenir plus efficace avec l'évolution des processus de fabrication additive.

Le prototypage rapide a trois avantages distincts pour les fabricants lorsqu'il est combiné avec l'impression 3D :

• C'est hautement rentable. La majeure partie du processus est automatisée, donc peu de personnel est requis pour le compléter. Également, les matériaux et processus de fabrication sont moins chers à mettre en place que ce serait le cas avec des techniques de fabrication alternatives.
• Vitesse. Le prototypage rapide aide les fabricants à produire et écarter des conceptions plus vite que jamais, apprenant de chaque itération et se rapprochant toujours plus du produit final. Cela se traduit par une mise sur le marché (TTM) plus rapide, qui est souvent un avantage concurrentiel significatif.
• Risque réduit. Les erreurs de fabrication peuvent être extrêmement coûteuses. En raison du faible coût et investissement en temps nécessaires pour produire des prototypes supplémentaires, le prototypage rapide réduit drastiquement le risque d'erreurs coûteuses pendant l'étape de production de masse.

À quoi sert l'impression 3D ?

À ce stade, en dehors de la fabrication, la majeure partie du battage médiatique et de l'attention pour l'impression 3D a entouré ses applications grand public. C'est indéniablement « sympa » que quiconque avec un ordinateur portable et moins de mille dollars puisse concevoir et construire presque n'importe quel objet qu'il peut imaginer.

Cependant, la vraie valeur de l'impression 3D réside dans ses applications commerciales. Certaines des principales industries profitant de l'impression 3D incluent :

Aviation et aérospatiale — L'impression 3D a des avantages évidents pour l'industrie aéronautique. Notamment, elle permet aux entreprises aéronautiques de construire des prototypes rapidement et à faible coût tout en utilisant des matériaux solides et légers. Actuellement, l'impression 3D est utilisée pour fabriquer tout, des éléments de garniture intérieure comme les tables de dossier de siège et les appuie-têtes aux composants de moteur et armements.

Avec le développement d'imprimantes 3D de plus en plus grandes, nous pouvons nous attendre à voir encore plus de composants construits par impression 3D dans un avenir proche — peut-être même un moteur d'avion entier.

Santé — Autrefois, la disponibilité des implants et prothèses a été un obstacle substantiel et coûteux aux soins des patients. Cependant, depuis plusieurs années, l'impression 3D est utilisée dans le développement d'une grande variété de guides de coupe chirurgicaux, prothèses, et même implants spécifiques au patient.

À mesure que les matériaux ont évolué, l'industrie a pu utiliser l'impression 3D pour construire des produits de plus en plus légers, solides et sûrs tout en réduisant les délais et les coûts.

Automobile — Depuis plusieurs décennies, l'industrie automobile utilise l'impression 3D et d'autres techniques de fabrication additive pour produire des prototypes. Initialement, c'était la seule utilisation viable de l'impression 3D dans l'automobile, car les matériaux disponibles n'étaient pas suffisamment robustes pour une utilisation réelle.

Cependant, à mesure que les matériaux ont évolué, l'impression 3D a pris un rôle plus important dans l'industrie. Maintenant, la technique est couramment utilisée pour produire une variété de moules, outils de thermoformage, poignées, gabarits et fixations nécessaires pendant la fabrication. En d'autres termes, l'impression 3D est utilisée pour augmenter d'autres techniques de fabrication.

Mais ce n'est pas tout. L'impression 3D est aussi inestimable pour produire des pièces personnalisées comme les carrosseries et composants internes utilisés pour adapter des véhicules spécifiques.

Architecture — L'industrie architecturale repose sur des modèles à l'échelle pour montrer aux clients et investisseurs à quoi ressemblera un projet une fois construit. Ces modèles ont historiquement été construits à la main, et nécessitaient souvent des centaines d'heures-homme pour être complétés. Naturellement, l'impression 3D a tout changé.

Puisque les projets architecturaux sont déjà conçus à l'aide de logiciels informatiques, ils sont des candidats naturels pour l'impression 3D. Maintenant, une fois qu'un fichier CAO est terminé, il peut être envoyé directement à l'impression, économisant une énorme quantité de temps et garantissant une réplique de modèle précise.

Quelle suite pour l'impression 3D et la fabrication additive ?

Jusqu'à présent, l'adoption commerciale généralisée a été limitée aux industries déjà réputées pour être à la pointe de la technologie — fabrication, aéronautique, automobile et santé, en particulier.

Cependant, avec le matériel et les matériaux s'améliorant constamment, il n'y a aucun doute que l'impression 3D continuera de croître dans les années à venir.

Des maisons imprimées en 3D aux voitures, il ne faudra pas longtemps avant que presque tout ce que nous utilisons au quotidien puisse être construit en utilisant cette technique apparemment venue de l'espace.