La technologie de l’impression 3D, parfois appelée fabrication additive, a fait beaucoup de chemin depuis sa création dans les années 1980. Bien que le prototypage rapide fût l’objectif original de l’impression 3D, la technologie s’est développée dans de nombreux autres secteurs. Automobile, architecture, ingénierie, construction (AEC), conception industrielle, éducation, dentaire, médical, militaire, aérospatiale, vêtements, articles de lunetterie, artisanat, joaillerie ou encore agroalimentaire: bien d’autres secteurs utilisent la technologie de fabrication additive pour le prototypage et la fabrication distribuée.
Aujourd’hui, nous couvrirons certaines des applications de l’impression 3D en présentant des solutions pour les chercheurs, les enseignants et les étudiants en ingénierie, en soulignant les avantages de l’impression 3D et en décrivant son utilisation la plus courante.
Fabrication additive et terminologie associée
L’expression «fabrication additive» (FA) désigne un objet solide tridimensionnel de presque toutes formes pouvant être créé à partir d’un modèle numérique. Elle implique l’application de minces couches de plastique liquide à base de poudre ou de métal, puis l’assemblage de ces couches afin de créer un objet.
«Prototypage par impression 3D» est un autre terme lié à la fabrication additive. Nous l’avons mentionné dans l’introduction, il est également appelé «prototypage rapide», et désigne le processus de création de différentes pièces à partir de plusieurs couches de matériaux. Le prototypage par impression 3D est un moyen simple, rapide et abordable de créer des produits.
En 2015, la norme ISO/ASTM 52900 a été créée afin de définir la terminologie utilisée dans la technologie de fabrication additive (FA), qui utilise le principe de mise en forme additive et permet la construction de géométries réelles en trois dimensions (3D) par l’ajout progressif de matériau. Vous trouverez plus d’informations sur les principes de base et le vocabulaire ici.
7 types de technologie d’impression 3D
Si vous n’êtes pas familiarisé avec la technologie d’impression 3D, il est important de savoir quels sont les processus et les matériaux disponibles. Il existe différentes méthodes d’impression 3D utilisées pour construire des structures et objets en 3D, et certaines sont plus populaires que d’autres.
- Stéréolithographie (SLA)
- Modélisation par dépôt de fil en fusion (Fused deposition modeling, FDM)
- Frittage sélectif par laser (Selective Laser Sintering, SLS)
- Traitement numérique de la lumière (Digital Light Processing, DLP)
- Fusion sélective par laser (Selective Laser Melting, SLM)
- Fusion par faisceau d’électrons (Electron Beam Melting, EBM)
- Fabrication d’objets stratifiés (Laminated object manufacturing, LOM)
Stéréolithographie
La SLA est l’un des plus anciens processus d’impression 3D, inventé par Chuck Hull en 1986. Il s’agit de la méthode idéale pour les ingénieurs en mécanique qui souhaitent vérifier si une pièce peut s’intégrer à leur conception. La stéréolithographie, cependant, n’est pas seulement utile pour les ingénieurs. Si vous souhaitez imprimer un prototype en plastique pour un projet, il s’agit également d’une excellente technique.
Comment une imprimante SLA fonctionne-t-elle? Les imprimantes SLA ne fonctionnent pas comme les imprimantes de bureau normales. Elles fonctionnent en produisant un excès de plastique liquide qui prend la forme d’un objet solide après le durcissement et la mise en forme. Un étage de l’imprimante descend dans le réservoir puiser une très petite quantité pendant que le plastique durcit, et le laser produit une autre couche jusqu’à ce que l’impression soit terminée. Chacune de ces couches est produite par l’imprimante à l’aide d’un laser puissant guidé par des miroirs filtrants X et Y, également appelés galvanomètres ou galvo.
Modélisation par dépôt de fil en fusion (FDM)
La modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) est actuellement la technologie d’impression 3D la plus populaire. Avec cette technologie, vous pouvez imprimer des prototypes opérationnels mais aussi des produits grand public, tels que des engrenages en plastique, des canoës d’eau vive, des briques lego, etc.
L’imprimante FDM fait fondre des filaments thermoplastiques en ABS (acrylonitrile butadiène styrène) ou en PLA (acide polylactique), par exemple, et les applique couche par couche sur une plate-forme de construction à l’aide de buses chauffées. Les couches sont appliquées une à une jusqu’à ce que la portion soit terminée. Outre le thermoplastique, l’imprimante peut extruder d’autres matériaux de support. Ce procédé est d’une certaine manière semblable à la stéréolithographie.
Frittage sélectif par laser (SLS)
Le SLS est une technologie 3D qui consiste à sintériser des particules de poudre de polymère sur un modèle 3D pour produire une structure solide à l’aide d’un laser à haute puissance. Dans la mesure où cette technique offre un faible coût par pièce et une grande liberté de conception (le SLS ne nécessite pas de structures de support, car la poudre non frittée enveloppe les composants pendant l’impression), elle est couramment utilisée par les fabricants et les ingénieurs.
Les imprimantes 3D SLS permettent de créer des géométries complexes difficiles ou excessivement coûteuses à fabriquer à l’aide de procédures traditionnelles, telles que des pièces mobiles, des pièces à verrouillage, des pièces à canal interne, etc. Le SLS convient à diverses applications, notamment la fabrication sur mesure, en pont ou en petites séries, ainsi que le prototypage rapide par SLS.
Traitement numérique de la lumière (DLP)
Larry Hornbeck, de Texas instruments, a conçu la technique DLP en 1987. Il s’agit également d’un processus d’impression 3D similaire à la stéréolithographie, mais qui offre des délais d’impression plus rapides que la SLA. Cependant, le DLP et la SLA fonctionnent tous les deux avec des photopolymères. La technologie de traitement numérique de la lumière, qui utilise un micro-miroir numérique placé sur la puce à semi-conducteurs, est courante dans l’impression 3D, les téléphones mobiles et les projecteurs de film. L’impression DLP peut être utilisée pour imprimer des objets en résine incroyablement détaillés, notamment des jouets, des moules pour la joaillerie, des dispositifs dentaires, des éléments de décoration, des figurines, des amplificateurs et beaucoup d’autres objets avec des détails précis.
Fusion sélective par laser (SLM)
La fusion laser sélective (SLM) est une technique 3D plus récente développée par le scientifique allemand Wilhelm Meiners en 1995. Il s’agit d’une technologie de fabrication additive métallique qui utilise un laser à haute densité de puissance pour faire fondre les poudres fusibles métalliques afin de produire des pièces de forme presque nette.
Fusion par faisceau d’électrons (EBM)
L’EBM est une méthode de fabrication additive utilisée pour créer des objets métalliques. Elle est souvent catégorisée comme une technique de production rapide en raison du processus d’impression plus rapide. La production de pièces nécessite l’utilisation d’une imprimante EBM sous un vide poussé pour faire fondre la poudre métallique couche par couche. Le métal en poudre est fondu par une moyenne d’électrons à haute énergie. La fusion par faisceau d’électrons est similaire à la fusion laser sélective car elles permettent toutes les deux d’imprimer à partir de poudre, mais l’EBM utilise un faisceau d’électrons au lieu d’un laser.
Les imprimantes 3D EBM sont dotées d’un conteneur de poudre, d’un distributeur de poudre, d’un dispositif de récupération de la poudre, d’une source d’énergie émettant des faisceaux d’électrons et d’une plate-forme de construction chauffée. Il est essentiel de rappeler que la procédure d’impression doit se dérouler sous vide. En effet, dans le cas contraire, le faisceau d’électrons s’arrêterait lorsque les électrons entreraient en collision avec des molécules de gaz.
Fabrication d’objets stratifiés (LOM)
La méthode LOM est un moyen économique d’imprimer en 3D des objets de différents types et en différents matériaux, notamment en papier, en polymère et en métal, mais chacun nécessite une méthode différente pour associer les couches de matériau. Ce type de fabrication additive a été développé par Helisys Inc. (désormais Cubic Technologies). Il s’agit d’une méthode moins populaire que celles mentionnées précédemment, mais qui devrait gagner en popularité car elle est efficace, abordable et rapide. Comment fonctionne-t-elle? Avec la technologie LOM, le matériau appliqué en couches est enroulé sur la plate-forme de construction (la base de l’imprimante 3D). En général, la substance possède un revêtement adhésif qui fond lorsque le rouleau d’alimentation est chauffé. La couche suivante adhère ensuite à la couche précédente.
Les applications industrielles de la fabrication additive
Le nombre d’entreprises utilisant l’impression 3D a augmenté de manière significative. De nombreux secteurs utilisent la fabrication additive, et les entreprises développent de nouveaux modèles d’exploitation et de nouvelles opportunités.
Selon Grand View Research, entre 2022 et 2030, le marché de l’impression 3D devrait augmenter selon un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 20.8%, alors qu’il représentait 13.84 milliards de dollars en 2021. En 2021, les ventes d’imprimantes 3D se sont élevées à 2.2 millions d’unités dans le monde. D’ici 2030, on estime que 21.5 millions d’unités devraient être vendues.
Aérospatiale et défense
Les entreprises de l’aérospatiale et de la défense (A&D) ont été parmi les premières à adopter la fabrication additive. De nombreuses marques importantes tirent parti de l’impression 3D, notamment GE, Airbus, Boeing et Safran, car le principal avantage de cette technologie dans l’industrie aérospatiale est la réduction du poids, qui a un impact positif majeur sur la charge utile, le rendement énergétique et les émissions de dioxyde de carbone.
Les concepteurs peuvent produire des matériaux robustes et des composants consolidés, ce qui est particulièrement important dans l’industrie aérospatiale. L’impression 3D permet de concevoir des pièces utiles pour les avions, telles que des panneaux de paroi, des conduits d’air et des composants métalliques structurels.
Les drones offrent des avantages du point de vue militaire, et chaque composant de l’assemblage du drone, à l’exception des pièces électroniques, peut faire l’objet d’une fabrication additive. La technologie de création de modèles en 3D permet de produire facilement des accessoires tels que des étuis, des couvertures, des supports et des boosters qui permettent de ranger correctement les drones. De plus, l’impression 3D en métal est utilisée pour réparer l’équipement aérospatial et militaire.
Automobile
L’industrie automobile a besoin de composants légers et d’une grande résistance aux environnements difficiles pour améliorer le confort de conduite et faire en sorte que les véhicules puissent résister à différentes conditions environnementales. Par exemple, Porsche a conçu une technologie innovante d’impression 3D pour les sièges baquets, permettant aux clients de choisir entre trois niveaux de fermeté pour la couche de confort pendant la conduite. Outre leur ergonomie, les sièges offrent un poids plus faible, une conception unique, un confort amélioré et un contrôle passif de la température, car le «siège à baquet intégral ergonomique imprimé en 3D» est basé sur sa conception légère.
La fabrication additive offre un large éventail de méthodes et de matériaux robustes et résistant aux températures élevées, ainsi que la capacité à produire des formes extrêmement complexes. Les entreprises l’utilisent, entre autres, pour tester plusieurs options de conception et pour produire des pièces personnalisées. Cependant, elle a ouvert un nouveau secteur pour la restauration des voitures classiques et la reproduction des pièces de rechange.
Santé et médecine
L’impression 3D est très couramment utilisée dans les applications médicales et dentaires, notamment pour la bio-impression de tissus et d’organes, de modèles anatomiques pour la préparation chirurgicale et, en chirurgie dentaire, de modèles d’arcades, de couronnes et de bridges. Il est possible que l’impression 3D devienne la principale technologie pour la production de produits dentaires. Les fabricants de produits médicaux utilisent une grande variété de matériaux d’impression 3D rigides, flexibles, opaques et transparents pour créer des modèles plus personnalisables que jamais. Plus important encore, les implants et les appareils dentaires peuvent être réalisés en utilisant l’impression 3D selon les besoins spécifiques du patient.
Cependant, si les organes humains ne peuvent pas être imprimés en 3D, des tissus vivants artificiels qui ressemblent à des tissus réels peuvent être fabriqués à l’aide de la technologie d’impression 3D. Selon Nature Biotechnology, des avancées, telles que la bio-impression 3D, ont permis de créer des tissus vivants complexes, fonctionnant en 3D, en utilisant l’impression 3D avec des matériaux biocompatibles, des cellules et des composants auxiliaires. Cela signifie que les structures telles que les os, la peau ou les organes peuvent être fabriquées par biopsie 3D.
Produits de grande consommation
Le secteur des produits de grande consommation a identifié depuis longtemps les avantages de l’impression 3D pour la conception et le développement des produits. La grande variété d’applications pour l’impression 3D répond aux besoins des consommateurs. Certaines de ces applications sont destinées aux articles de sport, de loisirs ou lifestyle, comme les chaussures et les lunettes. D’autres sont de petits articles tels que des bijoux, des jouets pour les enfants, et des pièces destinées à réparer à peu près tout ce qui casse. Elles sont également utilisées pour construire des maisons et des voitures de manière économique et durable, car la conception de maisons sur un ordinateur à l’aide d’une imprimante 3D permettra de connaître la quantité exacte de matériaux nécessaires pour construire une maison.
Autres applications
Il est difficile de décrire toutes les applications de l’impression 3D. Nous en avons mis en avant quelques-unes, mais il convient de mentionner son utilisation dans les technologies de pointe, telles que le LiDAR, le SIG ou encore l’IA.
Par exemple, l’impression 3D et les systèmes d’information géographique (SIG) peuvent améliorer les capacités visuelles à des fins pédagogiques. C’est un outil ou un système qui affiche et analyse les données relatives aux positions à la surface de la Terre. Il s’agit d’une base d’applications de navigation sur carte (cartographie 3D) qui aide les utilisateurs à déterminer leur emplacement. Cet outil peut être particulièrement utile pour les étudiants car il les implique dans les SIG fondamentaux et les notions géographiques, notamment la cartographie, la projection et la topologie. La technologie de cartographie 3D permet d’utiliser des algorithmes d’apprentissage automatique afin de profiler des éléments et d’en produire un modèle tridimensionnel pouvant être mappé sur l’environnement réel.
Depuis quelque temps, la numérisation en 3D est également disponible sur smartphone. Le LIDAR, une technologie de télédétection utilisée pour examiner la surface de la Terre, permet aux appareils mobiles d’exécuter des applications de réalité augmentée (AR) avec une précision considérablement plus élevée. Grâce à l’introduction du Lidar dans les smartphones, un client utilisant une application d’aménagement intérieur en réalité augmentée peut visualiser et «positionner» les meubles dans le champ de la caméra afin de savoir à quoi les meubles vont ressembler dans sa maison (voir une image ci-dessous).
Avantages de l’impression 3D
L’impression 3D permet de tester et de visualiser une conception avant sa mise en œuvre réelle, dans le cas où vous envisagez de concrétiser la fabrication de votre produit avant de passer à l’étape de production à grande échelle. Le principal avantage est donc la possibilité pour les utilisateurs de concevoir la plupart des produits sur ordinateur avant de les «fabriquer» à la maison. Cependant, la liste des avantages ne s’arrête pas là.
Les plus grands avantages de la fabrication additive:
- Réduction des coûts et du temps de production
- Réduction des déchets
- Réduction des erreurs
- Progression des soins de santé
- Production de pièces complexes avec des matériaux de pointe
- Facilité d’accès
- Conception souple
- Impression à la demande
- Respect de l’environnement
La technologie innovante de l’impression 3D
De plus en plus d’entreprises adoptent le processus de l’impression 3D car il s’agit d’une alternative sérieuse pour les méthodes de fabrication traditionnelles. Certains observateurs se demandent même si la fabrication additive finira par remplacer les techniques traditionnelles. Une chose est sûre: elle commence à être utilisée dans presque tous les secteurs. Alors que la tendance est aux solutions intelligentes et à la fabrication numérique, la popularité de la technologie d’impression 3D ne fera que croître.
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