La fabrication additive expliquée :processus, applications et options de matériaux

La fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D, est un processus de fabrication de pointe qui révolutionne les industries du monde entier. Il s'agit de construire des objets de manière additive, couche par couche, à l'aide de modèles numériques, contrairement aux méthodes soustractives traditionnelles, qui suppriment de la matière.

La fabrication additive permet la création de géométries complexes qui sont difficiles, voire impossibles à réaliser avec les techniques conventionnelles. De plus, il offre une large gamme de matériaux compatibles, notamment les plastiques, les métaux, les céramiques et les composites, offrant ainsi une flexibilité dans la sélection des matériaux pour diverses applications. La fabrication additive offre des opportunités pour le développement de nouveaux produits créatifs, ainsi qu'une efficacité améliorée dans l'utilisation des matériaux.

Cet article expliquera ce qu'est la fabrication additive, son processus, ses utilisations, ses matériaux, ses avantages et ses inconvénients.

Qu'est-ce que la fabrication additive ?

La fabrication additive (FA), également connue sous le nom d'impression 3D, révolutionne la fabrication en construisant des objets couche par couche, guidés par des modèles informatiques numériques 3D. Contrairement aux méthodes soustractives telles que l'usinage, qui découpent la matière d'un bloc solide, la FA ajoute de la matière progressivement pour former la forme souhaitée. Cette approche innovante offre une liberté de conception inégalée, permettant des géométries complexes et une personnalisation.

La fabrication additive englobe diverses techniques, chacune offrant des avantages uniques. Le dépôt de filaments consiste à faire fondre et à extruder des matériaux thermoplastiques à travers une buse, tandis que le frittage laser utilise un laser pour fusionner des matériaux en poudre couche par couche. De plus, la stéréolithographie utilise des lasers ultraviolets ou des écrans LCD pour solidifier la résine liquide photopolymérisable en formes précises.

Historiquement, la FA a vu des applications dans divers secteurs, notamment l'aérospatiale, l'automobile, la santé et les biens de consommation. Initialement utilisé pour le prototypage rapide, il a évolué pour inclure des composants de qualité production. Cependant, la fabrication couche par couche peut entraîner des faiblesses potentielles au niveau des interfaces, nécessitant une conception minutieuse.

L'une des plus grandes forces d'AM réside dans ses capacités de personnalisation, permettant de proposer des solutions sur mesure pour répondre à des besoins spécifiques. Des implants médicaux personnalisés aux modèles architecturaux complexes, la fabrication additive permet aux concepteurs et aux ingénieurs de donner vie à leurs visions avec précision et efficacité.

Qui a inventé la fabrication additive ?

Chuck Hull est souvent considéré comme le pionnier de la fabrication additive grâce à son invention de la stéréolithographie. Cependant, le concept de fabrication couche par couche est antérieur à son travail. Les racines de la fabrication additive remontent aux années 1970. Pendant cette période, les chercheurs et les ingénieurs ont commencé à explorer diverses techniques permettant de construire des objets couche par couche. L'un des précurseurs notables de la fabrication additive moderne est le travail de Hideo Kodama, un chercheur japonais.

L'article de Kodama de 1981 détaillait la solidification UV des photopolymères pour la fabrication d'objets 3D, jetant les bases malgré un suivi commercial limité à l'époque. Carl Deckard, avec son conseiller Joseph Beaman, a été le pionnier du frittage sélectif par laser (SLS) à l'Université du Texas à Austin au milieu des années 1980, fusionnant des matériaux en poudre avec des lasers, faisant ainsi progresser la fabrication additive.

Quand la fabrication additive a-t-elle commencé ?

La commercialisation de la fabrication additive a commencé au milieu des années 1980 avec l’invention de la stéréolithographie par Chuck Hull. En 1986, Hull a obtenu un brevet pour ce système, ce qui a conduit à la création de sa société, 3D Systems Corporation. Par la suite, en 1988, 3D Systems Corporation a lancé la première imprimante 3D commerciale, la SLA-1.

À peu près à la même époque, une imprimante à jet d'encre 3D a été développée dans le cadre d'un projet Skunkworks chez Exxon, bien que la commercialisation de cette technologie n'ait eu lieu qu'en 1991. Cette première phase de commercialisation a vu l'émergence d'entreprises comme 3D Systems Corporation et l'introduction de processus tels que la stéréolithographie et l'impression à jet d'encre sur le marché.

Cette percée a jeté les bases des techniques et technologies ultérieures de fabrication additive. Au fil des années, la fabrication additive a considérablement évolué, avec des progrès dans les matériaux, les processus et les applications.

Quel est le processus de fabrication additive ?

Le processus de fabrication additive comporte plusieurs étapes :

1. Commencez par créer un modèle numérique 3D à l'aide d'un programme de CAO. Enregistrez la conception au format de fichier STL, qui contient la géométrie de l'objet. Importez le fichier STL dans le logiciel de découpe pour découper le modèle et générer des chemins d'impression. Ajustez les paramètres d’impression tels que le type de matériau et la vitesse pour l’optimisation. Convertissez le modèle découpé en G-code, le langage compris par les imprimantes 3D. Enfin, envoyez le G-code à l'imprimante, en lui demandant d'imprimer l'objet couche par couche.
2. Préparez l'imprimante 3D en calibrant les paramètres de température, de vitesse et de hauteur de couche, puis en téléchargeant le fichier G-code sur l'imprimante.
3. Chargez le matériau sélectionné dans le périphérique d'impression additive. Les matériaux pouvant être utilisés pour l'impression 3D comprennent les composites, les plastiques, les métaux, la céramique, le papier et même les matériaux biologiques comme les cellules ou les protéines.
4. Commencez l'impression. L'imprimante interprétera les instructions du code G pour chaque couche successive, déposant ou durcissant le matériau à l'endroit exact où il est nécessaire pour cette couche.
5. Assurez-vous d'une bonne liaison entre les couches. Cela peut simplement se produire dans le cadre du processus d'impression dans certaines techniques, telles que la modélisation par dépôt fondu (FDM), mais pour d'autres, une étape distincte de frittage ou de durcissement peut être nécessaire.
6. Laissez l'objet imprimé s'effectuer sans interruption à mesure que chaque couche est créée.
7. Effectuer les tâches de finition nécessaires, y compris le retrait du support, qui peut être nécessaire pour les conceptions comportant des surplombs ou des géométries complexes où des supports sont utilisés pendant l'impression pour éviter l'affaissement ou la déformation. De plus, un raffinement de surface, un usinage ou un durcissement supplémentaire peuvent être nécessaires pour obtenir le produit final.
8. Appliquez toutes les touches de finition ou tous les traitements nécessaires, tels que la peinture, le placage ou l'assemblage avec d'autres composants.

Quelles sont les utilisations de la fabrication additive ?

Aujourd’hui, la fabrication additive fait partie intégrante du processus de fabrication de produits dans de nombreuses industries. Il a plusieurs utilisations possibles, notamment :

1. Il facilite la production rapide et rentable de prototypes pour la vérification de la conception, les tests fonctionnels et la validation du concept.
2. Il permet de créer des produits hautement personnalisés, tels que des implants médicaux, des prothèses dentaires et des biens de consommation.
3. La fabrication additive permet la production de géométries complexes, difficiles à réaliser avec les méthodes traditionnelles. Dans l’aérospatiale, les aubes de turbine dotées de canaux de refroidissement internes améliorent l’efficacité du moteur. En médecine, les implants personnalisés s’adaptent aux anatomies individuelles, favorisant une guérison plus rapide. Les composants automobiles bénéficient de conceptions légères et complexes qui améliorent les performances.
4. Il facilite la fabrication en petits lots ou personnalisée sans outillage coûteux, ce qui permet une fabrication agile et réduit les coûts de stock.
5. Il est utilisé dans le secteur médical pour fabriquer des implants personnalisés adaptés aux patients, des prothèses, des répliques anatomiques pour la préparation et l'instruction chirurgicales, ainsi que des guides chirurgicaux pour faciliter les procédures.
6. Il est utilisé pour le prototypage, l'outillage et la production de composants légers avec des rapports résistance/poids améliorés et des options de personnalisation.
7. L'impression 3D peut être utilisée dans les établissements d'enseignement et les centres de recherche à des fins d'enseignement, d'expérimentation et d'exploration de nouvelles applications dans diverses disciplines.
8. Offre des opportunités de production durable en réduisant les déchets, la consommation d'énergie et les émissions de carbone.