Mise en Forme de la Matière

 

L’impression par dépôt de matière

 

La majorité des imprimantes 3D personnelles fonctionnent selon ce principe. FDM est l’acronyme anglais de Fused Deposition Modeling qui signifie « modelage par dépôt de filament en fusion ». Ce procédé qui a été inventé en 1988 par la société Stratasys, est une marque déposée.

 

Cette technique consiste à déposer couche par couche un filament de matière thermoplastique fondu à 200°C (en moyenne) qui en se superposant donne forme à l’objet. La tête d’impression se déplace selon les coordonnées X, Y et Z (longueur, largeur et hauteur) transmises par un fichier 3D correspondant au modèle 3D de l’objet à imprimer. Limitée pendant longtemps à des matériaux de type plastique, l’impression 3D voit arriver de nouveaux filaments composites à base de métal (cuivre, bronze) et même de bois. Plus rarement certaines machines utilisent des cires ou des polycarbonates.

Aujourd’hui l’industrie agroalimentaire et la médecine s’emparent peu à peu de cette technique pour imprimer des aliments et des cellules en adaptant la tête d’extrusion.

 

 

La solidification par lumière

 

La stéréolitographie est la première technique d’impression 3D à avoir été mise en évidence. Si la paternité de ce procédé est souvent attribuée à l’américain Charles Hull fondateur de 3D Systems, on doit en fait cette invention à trois français (Alain le Méhauté, Olivier de Witte et Jean Claude André) dont leurs brevets bien que déposés 3 semaines plus tôt (16 juillet 1984), n’ont malheureusement pas été renouvelés.

 

Appelée aussi SLA (Stéréolithographie Apparatus) cette technique consiste à solidifier un liquide photosensible par le biais d’un rayon laser ultraviolet. Les imprimantes fonctionnant par SLA ont quatre parties principales: un réservoir qui peut être rempli avec un liquide photopolymère, une plate-forme perforée qui est descendue dans le réservoir, un rayonnement ultraviolet (UV) et d’un ordinateur commandant la plate-forme et le laser.

 

Tout comme la FDM, l’imprimante va dans un premier analyser le fichier, puis en fonction de la forme de l’objet va lui ajouter des fixations temporaires pour maintenir certaines parties qui pourraient s’affaisser.

 

Puis le laser va commencer par toucher et durcir instantanément la première couche de l’objet à imprimer. Une fois que la couche initiale de l’objet a durci, la plate-forme est abaissée, est ensuite exposée une nouvelle couche de surface de polymère liquide. Le laser trace à nouveau une section transversale de l’objet qui colle instantanément à la pièce durcie du dessous.

 

Ce processus se répète encore et encore jusqu’à ce que la totalité de l’objet ce soit formé et soit entièrement immergé dans le  réservoir. La plateforme va ensuite se relever pour faire apparaitre l’objet fini en trois dimensions. Après qu’il ait été rincé avec un solvant liquide pour le débarrasser de l’excès de résine, l’objet est cuit dans un four à ultraviolet pour durcir la matière plastique supplémentaire.

 

 

 

 

Les objets fabriqués selon la stéréo lithographie ont généralement une bonne qualité de finition et de détail (0,0005 mm) on obtient des surfaces bien lisses et régulières. La SLA a aussi l’avantage de pouvoir produire de grosses pièces (de plusieurs mètres). Pour ces objets là il faudra plusieurs jours, quelques heures pour les plus petites.

 

Parmi ces inconvénients, un coût plus élevé que la FDM et un panel de matériaux et des coloris plus limité du fait des polymères utilisés comme matière première. Les solvants et les liquides polymères dégageant par ailleurs des vapeurs toxiques durant l’impression, le local devra être équipé d’une hotte aspirante pour l’aération.

 

 

 

La Polyjet

 

 Cette Technologie brevetée par la société israélo-américaine: « Objet Géométries Ltd », fonctionne aussi sur le principe de photo polymérisation. De la même manière, l’objet sera modélisé en 3D avec un logiciel spécialisé puis son fichier envoyé à l’imprimante. Les têtes d’impressions vont alors déposer en goutte à goutte de la matière photosensible sur un support de gel, selon les coordonnées transmises par le fichier.

Une fois la matière déposée, celle-ci va être exposée à un rayon ultraviolet qui va alors la durcir instantanément. L’opération sera répétée jusqu’à obtention de l’objet final, il ne restera alors plus qu’à le nettoyer.

 

Avec une précision de l’ordre de 0,005mm il est possible de réaliser des objets avec un haut niveau de détail et des pièces d’assemblage pouvant s’imbriquer comme des engrenages.

« Objet Géométries » a par la suite affiné cette technique en mettant au point Polyjet Matrix. Avec 96 embouts pour chacune de ses têtes d’impression, il est possible pour l’utilisateur de combiner plusieurs matériaux différents, souples ou plus rigides. En vous permettant de créer votre propre composite, ce procédé vous offre la possibilité d’imprimer des d’objets plus variés et plus complexes.

 

 

 

Le frittage laser

 

Cette technique crée par un étudiant américain dans une université du Texas en 1980, a été développée plus tard (2003) par la société allemande EOS. Appelée aussi SLS (Selective Laser Sintering), il s’agit également d’un processus d’impression par laser.

Cette fois ci un faisceau laser très puissant va fusionner une poudre (1mm d’épaisseur) à des points très précis définis par un fichier que communique votre ordinateur à votre imprimante. Les particules de poudre sous l’effet de la chaleur vont alors fondre et finir par se fusionner entres elles.

Une nouvelle couche de poudre fine est ensuite étalée et à nouveau durci par le laser puis reliée à la première. Cette opération est répétée plusieurs fois jusqu’à ce que votre pièce soit finie. Ensuite, votre partie est soulevée de la poudre libre et l’objet est brossé puis sablé ou poncé à la main pour les finitions.

La poudre que l’on utilise le plus souvent pour ce type d’impression est le polyamide. De couleur blanche ce matériau est en fait un nylon. Il va donner à votre objet une surface poreuse qui pourra d’ailleurs être repeint si vous souhaitez lui donner de la couleur. D’autres composants comme de la poudre de verre, de la céramique ou du plastique sont aussi utilisés. Souvent les fabricants utilisent un mélange de deux sortes de poudres pour obtenir des objets plus aboutis.

Sur le même principe on retrouve aussi le DMLS qui est l’abrégé de Direct Metal Laser Sintering. Ce procédé permet de réaliser des objets en métal en fusionnant cette fois une poudre de fines particules métalliques.

Presque tous les métaux peuvent être utilisés, cela va du cobalt au titane en passant par l’acier et des alliages comme l’Inconel.

Même si sa précision d’impression est inférieure au SLA, le frittage laser permet de fabriquer des pièces avec un niveau de détail assez élevé (0.1mm) et à géométrie complexe. De plus la poudre restante qui n’aura pas été passée au laser pourra être réutilisée la fois suivante.

Généralement les pièces obtenues avec ce processus demande davantage de finitions (ponçage, peinture, vernis) que le SLA du fait de son rendu un peu granuleux.

 

L’agglomération de poudre par collage

 

Initialement développé en 1993 au Massachusetts à l’Institut of Technology (MIT) en 1993, 3DP (Three-Dimensional Printing) constitue la base du processus d’impression 3D de Z Corporation.

Le procédé consiste en l’étalement d’une fine couche de poudre de composite sur une plateforme. La tête d’impression va alors déposer sur celle-ci de fines gouttes de glue colorées qui combinées entre elles permettent d’obtenir un large panel de couleur. La plateforme s’abaisse au fur et à mesure que les couches de poudre sont collées jusqu’à obtenir l’objet final.

Pour la finition il faut aspirer l’excédent de poudre, brosser et/ou poncer la pièce, puis la chauffer pour finaliser la solidification. La 3DP a l’avantage d’être rapide et de proposer une large gamme de couleurs. Jusqu’à 6 fois moins chère qu’une imprimante SLA son prix est plus attractif malgré une précision et une qualité d’impression parfois inférieure. Parmi les inconvénients, sans traitement post-impression les pièces sont plus fragiles et leur surface est plus rugueuse.

 

 Les innovations principales ?

 

Un bon de géant pour la médecine

 

Aujourd’hui, il n’est plus question de se demander s’il est possible d’imprimer des organes humains, mais bien quand ces organes seront disponibles au bénéfice de l’homme.

Les chercheurs de 3D Bioprinting Solutions prétendent créer une première thyroïde transplantable imprimée en 3D courant 2016.

 

D’autres organes, comme un rein fonctionnel, sont prévus courant 2018. Des millions d’individus meurent chaque année faute d’un donneur d’organe. Autant dire qu’il s’agit là d’un enjeu capital pour la vie de nombreuses personnes tout en endiguant le trafique d’organe.

L’impression 3D s’avère également utile pour produire des prothèses dans une foule de spécialités médicales, chez l’homme mais aussi chez les animaux !

Grâce à un cout relativement faible, il est possible d’adapter des solutions mécaniques solides aux spécificités d’un patient.

 

 

 

 La voiture 3D bientôt commercialisée

 

2016 ne sera probablement pas l’année de la révolution dans le domaine de la voiture « 3D » mais un premier prototype sera commercialisé courant de l’année. Là où se situe le grand changement c’est dans la rapidité de production. Là où il faut 44H aujourd’hui pour imprimer une voiture, il en faudra 2 fois moins d’ici un an selon le concepteur de la Strati. Entre 15 000 et 25 000 euros, le concept reste peu compétitif mais on parle ici d’un premier test.

Chaque année le temps de construction baisse, les matériaux s’améliorent et le prix diminue. Cela nous indique qu’il sera théoriquement possible d’ici quelques années d’imprimer des voitures de qualité à petit prix et, espérons le, avec des matériaux durables. La Strati est déjà déclarée entièrement démontable et recyclable. Une technologie toute récente qui ne tardera probablement pas à « s’accoupler » avec des énergies propres.

“Il nous faut aujourd’hui environ 44 heures pour construire un véhicule par production numérique, explique Jay Rogers, PDG de Local Motors. Nous espérons, d’ici la fin de l’année, nous rapprocher des 24 heures, puis nous espérons ensuite pouvoir descendre encore jusqu‘à environ dix ou douze heures.”

 

Des machines à la disposition des locaux

 

Ici se situe un enjeu citoyen et écologique important. A ce jour, l’ensemble de la société est soumise à des multinationales surpuissantes qui ne donnent guère le choix quant à la manière de consommer. Par ailleurs, les logiques industrielles de production à faible qualité et polluantes poussent de plus en plus de citoyens à mieux consommer, à recycler et réparer.

C’est ici que l’impression 3D intervient.

 

A disposition du citoyen, l’impression 3D peut s’avérer un outil de lutte incroyable en faveur d’une économie locale et collaborative.

Premièrement, c’est la possibilité de produire des objets utiles, localement, avec un matériau recyclé ou durable (choix indépendant) à faible cout. Ensuite, c’est également l’opportunité de réparer une foule d’objets qui demandent parfois simplement une forme particulière et complexe.

 

Enfin, c’est l’opportunité de développer un catalogue mondial d’objets libres de droits (open source et gratuits). Objets qu’il serait possible de créer, modeler, transformer, à terme, où que vous vous trouviez sur la planète. En d’autres termes, c’est la récupération citoyenne de l’outil, mais à un niveau de complexité supérieur. Rappelons qu’à la Révolution industrielle, « l’outil » fut accaparé par le capital pour assujettir l’homme à des tâches répétitives où les notions de création et d’autonomie furent jetées à la poubelle.

 

En 2016, on prévoit donc l’apparition de photomatons 3D (dont le caractère risque d’être commercial) mais aussi des centres citoyens de création de type Fab Labs. Il sera possible d’y scanner et imprimer n’importe quel objet.

 

 

L’impression de « maison » abordable

 

C’est probablement dans le domaine du BTP que l’impression 3D se fera le plus remarquer. Elle inspire les pires craintes pour les travailleurs qui ont peur de perdre leurs fonctions, mais aussi le rêve pour une génération qui ne souhaite pas s’endetter à vie pour une habitation. En 2014, plusieurs projets se sont démarqués avec notamment ces 10 maisons imprimées en 24 heures en Chine, mais aussi une technique proposée par une société au Pays-Bas ou encore cette villa de 220m carrés avec piscine imprimée aux USA.

 

L’idée pourrait rapidement être récupérée par le secteur de la construction particulièrement intéressé par les avantages de l’impression 3D : rapidité, faible prix, peu de main d’œuvre, pas d’accident humain, possibilité de matériaux durables et d’autres… D’un point de vue économique, ce serait une révolution pour le consommateur. Un « gros œuvre » à faible cout mais durable, c’est aussi la possibilité d’investir davantage dans des finitions écologiques comme une pompe à chaleur, une éolienne, des panneaux solaires, une bonne isolation. Ces outils sont aujourd’hui souvent évités faute de moyens.

Si la technique d’impression 3D de maison en usine est déjà une réalité, 2017 verra peut-être le début des imprimantes 3D sur les chantiers. Nous garderons un œil attentif sur cette évolution.

 

La guerre industrielle

 

Aérospatial, santé, alimentaire, mode, l’impression 3D trouve des applications dans tous les domaines de la société. De ce fait, les investissements des industriels se dirigent de plus en plus souvent vers cette méthode de production. Selon le cabinet McKinsey, d’ici à 2025, l’impression 3D devrait avoir un impact global compris entre 230 et 550 milliards de dollars. Une manne colossale qui sera inévitablement exploitée.

La section des matériaux d’impression va irrémédiablement connaître un boom dans les années à venir avec des spécialisations remarquables. On parle notamment de l’impression de composants comestibles mais aussi biodégradables.

 

Dans le domaine « pro », HP annonce la commercialisation en 2016 d’une imprimante 10 fois plus rapide, moins chère à l’achat et en consommable. Le secteur est donc obligé à rester très compétitif. On assiste à une véritable course du « plus rapide » coûte que coûte. A savoir qu’une imprimante professionnelle coûte à ce jour entre 300 000 et 1 million d’euros. Réduire les coûts de production devrait permettre, à terme, de relocaliser les usines.

 

2015, c’est avant tout l’année ou plusieurs brevets clés de l’impression 3D viennent à expirer. Ceci devrait faire à nouveau baisser les prix et permettre « aux petits » d’investir dans un matériel performant. L’industrie va-t-elle en définitive se tirer une balle dans le pied ? Il faut l’espérer. Si les coûts diminuent au point de rendre une technologie de pointe accessible au citoyen, c’est probablement l’arrêt de mort de plusieurs pans de l’industrie des objets usuels. A suivre.

 

 

La face sombre de l’impression 3D