Comprendre l'impression 3D : principes, types et applications clés

Le concept de l'impression 3D a été posé par David E.H. Jones en 1974. Cependant, les méthodes et matériaux pour la fabrication de modèles n'ont été développés que au début des années 1980.

Le terme « impression 3D » couvre de nombreux processus et techniques offrant un large éventail de capacités pour la production de pièces et produits dans différents matériaux. Ces dernières années, ces processus se sont considérablement développés et peuvent désormais jouer des rôles cruciaux dans de nombreuses applications.

Cet article de synthèse vise à expliquer les différents types et processus d'impression 3D, leur fonctionnement, ainsi que leurs usages et avantages sur le marché actuel. Commençons par une question fondamentale.

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

L'impression 3D, également appelée fabrication additive, est un processus de création d'un objet physique à partir d'un modèle numérique tridimensionnel ou d'un modèle CAO. Elle implique diverses techniques pilotées par ordinateur dans lesquelles le matériau est assemblé ou solidifié pour construire un objet réel.

Typiquement, le matériau (tel que des grains de poudre ou des molécules liquides fusionnées) est ajouté couche par couche à l'échelle du millimètre. C'est pourquoi l'impression 3D est aussi appelée processus de fabrication additive.

L'image illustre comment une imprimante 3D imprime des objets tridimensionnels couche par couche | 3D Logics

Dans les années 1990, les techniques d'impression 3D étaient appelées prototypage rapide. Elles n'étaient adaptées qu'à la fabrication de prototypes esthétiques ou fonctionnels. Depuis, nous avons fait du chemin.

La technologie d'impression 3D actuelle est suffisamment avancée pour créer des structures et géométries complexes qui seraient autrement impossibles à construire manuellement.

La précision, la gamme de matériaux et la répétabilité de l'impression 3D ont augmenté au point que nous pouvons construire presque n'importe quoi — des prototypes simples aux produits finaux complexes tels que des bâtiments écologiques, des pièces d'avion, des instruments médicaux, et même des organes artificiels utilisant des couches de cellules humaines.

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Comment cela fonctionne-t-il exactement ?

Toutes les techniques d'impression 3D reposent sur le même principe : une imprimante 3D prend un modèle numérique 3D (en entrée) et le transforme en un objet physique tridimensionnel en ajoutant du matériau couche par couche.

C'est très différent des processus de fabrication traditionnels tels que le moulage par injection et l'usinage CNC qui utilisent divers outils de coupe pour construire la structure désirée à partir d'un bloc solide. L'impression 3D, en revanche, ne nécessite pas d'outils de coupe : les objets sont fabriqués directement sur la plateforme de construction.

Le processus commence par un modèle numérique 3D (un plan de l'objet). Le logiciel (spécifique à l'imprimante) découpe le modèle 3D en fines couches bidimensionnelles. Il les convertit ensuite en un ensemble d'instructions en langage machine pour que l'imprimante les exécute.

Selon le type d'imprimante et la taille de l'objet, une impression prend plusieurs heures. L'objet imprimé nécessite souvent un post-traitement (ponçage, laquage, peinture ou autres finitions conventionnelles) pour obtenir une finition de surface optimale, ce qui prend du temps et des efforts manuels supplémentaires.

Différents types d'imprimantes 3D emploient différentes technologies qui traitent différents matériaux de différentes manières. Peut-être la limitation la plus fondamentale de l'impression 3D, en termes de matériaux et d'applications, est qu'il n'existe pas de solution universelle.

Types/Processus d'impression 3D

Selon la norme ISO/ASTM 52900, tous les processus d'impression 3D peuvent être classés en sept groupes. Chacun a ses avantages et inconvénients, qui impliquent généralement des aspects tels que le coût, la vitesse, les propriétés des matériaux et les limitations géométriques.

1. Photopolymérisation en cuve

Illustration de la SLA : un laser (a) illumine sélectivement le fond transparent (c) d'une cuve remplie (b) de résine photopolymérisable liquide. La plateforme de levage (e) tire progressivement la résine solidifiée (d) vers le haut.

Une imprimante 3D basée sur la photopolymérisation en cuve possède un récipient rempli de résine photopolymère, qui est durcie par une source de lumière ultraviolette pour créer un objet. Les trois formes les plus courantes de polymérisation en cuve sont :

1a) Stéréolithographie (SLA) : Inventée en 1984, la SLA utilise un laser ultraviolet pour réticuler des monomères et oligomères chimiques afin de former des polymères constituant le corps d'un solide tridimensionnel. Bien que le processus soit rapide et puisse construire presque n'importe quelle structure, il peut être coûteux.

1b) Traitement de la lumière numérique (DLP) : Elle utilise des sources de lumière conventionnelles telles que des lampes à arc (au lieu de lasers). Chaque couche de l'objet est projetée sur la cuve de résine liquide, qui est ensuite solidifiée couche par couche au fur et à mesure que la plateforme de levage monte ou descend.

1c) Production par interface liquide continue (CLIP) : Elle est similaire à la stéréolithographie mais continue et jusqu'à 100 fois plus rapide. La CLIP peut produire des objets caoutchouteux et flexibles aux parois lisses, qui ne pouvaient pas être créés avec d'autres techniques.

2. Extrusion de matière

Illustration de l'extrusion de matière : Buse (1) déposant le matériau (2) sur une plateforme de construction (3).

Dans ce processus, un filament de matériau thermoplastique solide est poussé à travers une buse chauffée, qui fond le matériau et le dépose sur une plateforme de construction le long d'un chemin prédéterminé. Ce matériau refroidit et se solidifie éventuellement, formant un objet tridimensionnel. Les techniques les plus couramment utilisées dans ce processus sont :

2a) Modélisation par dépôt de filament fondu (FDM) : Elle utilise un filament continu d'un matériau thermoplastique, tel que le nylon, le polyuréthane thermoplastique ou l'acide polylactique.

2b) Robocasting : Il implique l'extrusion d'un matériau pâteux à partir d'une petite buse tandis que la buse se déplace sur une plateforme de construction. Le processus diffère du FDM car il ne repose pas sur le séchage ou la solidification du matériau pour conserver sa forme après l'extrusion.

3. Stratification de feuilles

Certaines imprimantes utilisent du papier et du plastique comme matériau de construction pour réduire le coût d'impression. Dans cette technique, plusieurs couches de plastique adhésif, de papier ou de stratifiés métalliques sont successivement assemblées et découpées à la forme à l'aide d'un découpeur laser ou d'un couteau.

La résolution de couche peut être définie par le matériau d'alimentation. Elle varie généralement entre une et quelques feuilles de papier photocopie. Le processus peut être utilisé pour fabriquer de grandes pièces, mais la précision dimensionnelle du produit final sera nettement inférieure à celle de la stéréolithographie.

4. Dépôt d'énergie dirigé

La technique de dépôt d'énergie dirigé est couramment utilisée dans l'industrie métallurgique de haute technologie et les applications de fabrication rapide. L'appareil d'impression contient une buse fixée à un bras robotique multi-axes. La buse dépose une poudre métallique sur la plateforme de construction, qui est ensuite fondue par un laser, un plasma ou un faisceau d'électrons, pour former un objet solide.

Ce type d'impression 3D prend en charge divers métaux, matériaux à gradient fonctionnel et composites, notamment l'aluminium, l'acier inoxydable et le titane. Non seulement il peut construire des pièces métalliques entièrement nouvelles, mais il peut également ajouter du ou des matériaux à des pièces existantes, permettant des applications de fabrication hybride.

5. Projection de matière

Pièces imprimées avec le processus de projection de matière

La projection de matière fonctionne de manière similaire aux imprimantes à jet d'encre sur papier. Dans ce processus, un matériau photosensible est appliqué en gouttelettes à travers une buse de petit diamètre, puis durci par lumière ultraviolette, construisant une pièce couche par couche.

Les matériaux utilisés dans cette technique sont des photopolymères thermodurcissables (acryliques). L'impression multi-matériaux et une large gamme de matériaux (y compris des matériaux caoutchouteux et transparents) sont également disponibles.

Puisque l'impression 3D par projection de matière peut construire des pièces de haute précision dimensionnelle avec une finition de surface lisse, c'est une option attrayante pour la fabrication de prototypes visuels et d'outils commerciaux.

6. Projection de liant

Impression couleur complète en grès avec projection de liant | Crédit image : 3D Hubs

La projection de liant utilise deux matériaux : un matériau de base en poudre et un liant liquide. La poudre est répartie en couches uniformes dans la chambre de construction, et le liant est appliqué par des buses à jet, qui « collent » les particules de poudre pour construire l'objet désiré.

De la cire ou un polymère thermodurcissable est souvent mélangé à la poudre liée pour augmenter sa résistance. Une fois l'impression 3D terminée, la poudre résiduelle est récupérée et utilisée pour imprimer une autre structure.

Puisque la technique est très similaire à un processus de type jet d'encre, elle est aussi appelée impression 3D par injection. Elle est principalement utilisée pour imprimer des pièces en élastomère, des porte-à-faux et des prototypes colorés.

7. Fusion sur lit de poudre

Un système SLS | DTM – 2500CI

La fusion sur lit de poudre est un sous-ensemble de la fabrication additive dans lequel une source de chaleur (telle qu'une tête d'impression thermique ou un laser) est utilisée pour consolider du matériau sous forme de poudre afin de construire des objets physiques. Les cinq formes les plus courantes de cette technologie sont :

7a) Frittage sélectif par laser (SLS) : Elle utilise un laser comme source d'énergie pour fritter du matériau en poudre comme la polyamide ou le nylon. Le terme frittage désigne le processus de compactage et de formation d'une masse solide de matériau en appliquant une pression ou de la chaleur sans le fondre jusqu'à la liquéfaction.

7b) Fusion sélective par laser (SLM) : Contrairement au SLS, cette technique est conçue pour fondre et fusionner complètement les poudres métalliques ensemble. Elle peut créer des matériaux entièrement denses (couche par couche) ayant des caractéristiques mécaniques similaires à celles des métaux fabriqués traditionnellement. C'est l'un des processus à développement rapide mis en œuvre dans l'industrie et la recherche.

7c) Fusion par faisceau d'électrons (EBM) : Dans ce processus, la matière première (fil ou poudre métallique) est placée sous vide et fusionnée à l'aide d'un faisceau d'électrons. Bien que l'EBM ne puisse être utilisée qu'avec des matériaux conducteurs, elle offre une vitesse de construction supérieure grâce à sa densité d'énergie plus élevée.

7d) Frittage sélectif par chaleur (SHS) : Elle utilise une tête d'impression thermique pour appliquer de la chaleur sur des couches de poudre thermoplastique. Dès que la couche est terminée, le lit de poudre descend, et une nouvelle couche de matériau est ajoutée, qui est ensuite frittée pour former la section transversale suivante du modèle. Cette technique est idéale pour la fabrication de prototypes peu coûteux et de pièces pour tests fonctionnels.

7e) Frittage laser direct de métal (DMLS) : Elle est similaire au SLS mais utilise de la poudre métallique. La poudre résiduelle devient une structure de support pour l'objet et peut être réutilisée pour la prochaine impression 3D. Les pièces DMLS sont principalement fabriquées avec des matériaux en poudre comme le titane, l'acier inoxydable, l'aluminium et plusieurs alliages de niche. C'est un processus idéal pour les pièces médicales personnalisées, les composants pétroliers et gaziers, et les prototypes fonctionnels robustes.

Applications

Au cours de la dernière décennie, l'impression 3D s'est considérablement développée. Comme elle permet de fabriquer rapidement des designs complexes à moindre coût, elle est devenue un outil essentiel dans une variété d'industries, allant de la fabrication commerciale et la médecine à l'architecture et au design personnalisé.

De nombreuses techniques de fabrication additive peuvent être utilisées pour fabriquer des produits alimentaires. Les imprimantes 3D modernes sont livrées avec des recettes préchargées et permettent également aux utilisateurs de créer leurs aliments à distance sur leurs ordinateurs et smartphones. L'aliment imprimé en 3D peut être personnalisé en texture, couleur, forme, saveur et nutrition.

La technologie s'est également avérée efficace dans les formulations pharmaceutiques. La première formulation fabriquée par impression 3D a été produite en 2015. La même année, la FDA a approuvé le premier comprimé imprimé en 3D.

Imprimante 3D zéro-g envoyée à l'ISS en 2014

En 2014, SpaceX a livré la première imprimante 3D à gravité zéro à la Station Spatiale Internationale. Elle est désormais utilisée par les astronautes pour imprimer des outils utiles tels que des clés à douille.

En fait, de nombreux projets d'assemblage prévus sur des planètes ou astéroïdes seront amorcés d'une manière ou d'une autre en utilisant les matériaux disponibles dans les régions voisines. L'impression 3D est l'une des étapes majeures de cet amorçage.

Aujourd'hui, les entreprises technologiques intègrent la fabrication additive au cloud computing pour permettre une production distribuée décentralisée et géographiquement indépendante. Certaines entreprises offrent des services d'impression 3D en ligne (via site web) aux clients privés et commerciaux.

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Futur de l'impression 3D

Le grand rêve de l'impression 3D est « une usine dans chaque foyer ». Cela peut sembler étrange, mais il est indéniable que posséder une machine capable de produire instantanément des objets infiniment personnalisables est fascinant.

Tout comme les ordinateurs et smartphones ont donné du pouvoir à des milliards de personnes, les imprimantes 3D pourraient faire de même pour la fabrication.

Selon GrandViewResearch, le marché mondial de l'impression 3D était évalué à 11,58 milliards de dollars en 2019, et devrait atteindre plus de 33 milliards de dollars d'ici 2027 (avec un taux de croissance de 14 % par an).

Les facteurs qui devraient stimuler la croissance du marché incluent la R&D agressive et la demande croissante d'applications de prototypage de divers secteurs verticaux, notamment l'automobile, l'aérospatiale, la défense et la santé.