Les technologies d’impression 3D

Qu’est ce que l’impression 3D ?

L’impression 3D est une technique de fabrication d’objets solides, en trois dimensions. L’impression 3D est une technique dite de fabrication additive (ou AM pour Additive Manufacturing en Anglais). En impression 3D, l’objet final est construit par dĂ©pĂ´t de couches de matière les unes sur les autres, en superposition. Chaque couche, dĂ©posĂ©e par l’imprimante 3D, est très fine et se solidifie rapidement, pour former l’objet voulu, couche par couche.
Pour crĂ©er un objet solide, l’imprimante 3D dĂ©pose de la matière sur le lit d’impression en suivant le modèle contenu dans un fichier 3D, souvent au format STL. Le matĂ©riau d’impression le plus commun est le plastique fondu (PLA ou ABS en gĂ©nĂ©ral) utilisĂ© comme consommable sous forme de bobine de filament par les imprimantes 3D Ă  dĂ©pĂ´t de fil fondu (dites FFF pour Fused Filament Deposition ou FDM pour Fused Deposition Modeling). 

 

Il existe trois grandes catégories de technologies d’impression 3D :

  • DĂ©pĂ´t de fil ou extrusion (FFF et FDM) : un filament plastique est fondu par la tĂŞte d’impression de l’imprimante 3D et dĂ©posĂ© sur la plateforme d’impression de l’imprimante 3D pour crĂ©er l’objet voulu, couche par couche.
  • RĂ©sine (SLA et DLP) : une rĂ©sine liquide photosensible est polymĂ©risĂ©e (solidifiĂ©e) de manière très prĂ©cise par un laser ou un projecteur, formant ainsi l’objet voulu directement dans le bac de l’imprimante 3D contenant la rĂ©sine. La technologie la plus courante utilisant la photopolymĂ©risation (solidification de la rĂ©sine photosensible par la lumière) est l’impression 3D par stĂ©rĂ©olithographie (SLA).
  • Poudre (SLS, SLM, DMLS…) : un matĂ©riau sous forme de poudre est disposĂ© dans un bac de l’imprimante 3D. Une source d’Ă©nergie, en gĂ©nĂ©ral un laser, vient faire fusionner les grains de poudre pour former une structure solide. On parle principalement d’impression 3D par frittage laser ou frittage de poudre (SLS pour Selective Laser Sintering), mĂŞme si des variantes de cette technologies existent (SLM pour Selective Laser Melting notamment).

Les technologies d’impression 3D

De nombreuses technologies d’impression 3D sont déjà disponibles sur le marché, et un certain nombre sont en cours de développement. Chacune de ces technologies requiert un type de matériau d’impression 3D différent : filaments plastique en bobines (PLA, ABS…), résines liquide photosensibles, poudres (métal, plastiques…), etc.

Chaque technologie d’impression 3D prĂ©sente des avantages et est adaptĂ©e pour des applications particulières.

 

S’affranchissant des contraintes liĂ©es aux techniques de fabrication traditionnelles, l’impression 3D est la technologie pour du prototypage rapide par exemple (un de ses usages le plus courant). Il existe aussi des imprimantes 3D industrielles, plus avancĂ©es, utilisĂ©es pour la fabrication d’objets finis et de pièces opĂ©rationnelles.

Le développement de l’impression 3D impacte déjà les méthodes et cycles de conception et de production dans de nombreux secteurs.

Infographique les technologies d'impression 3D et les matériaux d'impression 3D

Infographie des matĂ©riaux pour l’impression 3D et des diffĂ©rentes technologies.




Extrusion et dépôt de fil fondu (FDM, FFF)

DĂ©pĂ´t de fil fondu : FDM (Fused Deposition Modeling) et FFF (Fused Filament Fabrication)

La technologie d’impression 3D par dĂ©pĂ´t de fil fondu, aussi appelĂ©e extrusion, utilise du filaments plastique (PLA ou ABS) comme consommable. Le filament est chauffĂ© et fondu dans la tĂŞte d’impression (aussi appelĂ©e buse) de l’imprimante 3D. La buse se dĂ©place selon deux axes (les axes X et Y) en mĂŞme temps que la plateforme d’impression se dĂ©place sur un axe vertical Z. Les imprimantes 3D utilisant la technologie par dĂ©pĂ´t de fil fondu sont communĂ©ment appelĂ©es imprimantes 3D FFF ou FDM.

L’imprimante 3D dĂ©pose le filament fondu par couche successives, les unes sur les autres, pour former l’objet en 3D. Lorsqu’une couche est complète, le plateau d’impression s’abaisse lĂ©gèrement sur l’axe Z (vertical) et le processus d’extrusion reprend en dĂ©posant une nouvelle couche de filament fondu au dessus de la première. Les couches ainsi crĂ©Ă©es sont fusionnĂ©es entre elles par le plastique qui se solidifie rapidement. L’empilement des couches de matière forme l’objet final.

Le processus d'impression 3D par dépot de filament fondu. Crédits: KUL3D.com.

Le processus d’impression 3D par dĂ©pĂ´t de filament fondu (source : KUL3D.com).

La prĂ©cision et la qualitĂ© du rĂ©sultat final dĂ©pendent entre autres de l’Ă©paisseur de couche minimale offerte par l’imprimante 3D (plus les couches sont fines, plus la rĂ©solution est importante et le rĂ©sultat prĂ©cis).

Les matĂ©riaux d’impression 3D compatibles avec les imprimantes 3D Ă  dĂ©pĂ´t de fil sont des filaments plastiques sous forme de bobines (en gĂ©nĂ©ral du PLA ou de l’ABS). Il existe aussi des filaments pour imprimantes 3D dits exotiques, contenant un certain pourcentage de mĂ©tal ou de bois, ou des propriĂ©tĂ©s particulières (flexible, transparent, phosphorescent…). Les imprimantes 3D de bureau sont en grande majoritĂ© des imprimantes 3D par extrusion et utilisent du filament plastique en bobines comme consommables.

Direct Energy Deposition (DED)

L’impression 3D par dĂ©pĂ´t d’Ă©nergie directe ou “Direct Energy Deposition” (DED est une technique d’impression 3D avancĂ©e utilisĂ©e uniquement par quelques imprimantes 3D industrielles.

Nous avons choisi de la catĂ©goriser en tant que technologie d’impression 3D par extrusion car avec cette technologie, le matĂ©riau d’impression est poussĂ© vers une puissante source d’énergie (en gĂ©nĂ©ral un laser) pour ĂŞtre fondu et fusionnĂ©, formant ainsi l’objet.

Une imprimante 3D DED classique est constituée d’une buse montée sur un bras multi-axes (jusqu’à 5 axes), qui dépose de la matière fondue sur une surface où elle se solidifie. Le processus est en cela similaire à celui de l’extrusion, la différence étant que la buse se déplace dans de multiples directions et non pas seulement le long de deux axes. Le matériau d’impression peut être déposé selon n’importe quel angle et est fondu en même temps qu’il est déposé par un laser ou un faisceau à électrons.

La technologie de DED peut être utilisée avec des polymères ou des matériaux céramiques mais est le plus souvent utilisée avec des poudres de métal. L’impression 3D est généralement utilisée pour réparer ou ajouter des composants à des pièces existantes.

Le processus d'impression 3D par fusion directe de matière. Crédits: sciaky.com.

Le processus d’impression 3D par fusion directe de matière (source : sciaky.com).

 

Résine et photopolymérisation (SLA, DLP)

Les imprimantes 3D à résine, comment ça marche ?

Les imprimantes 3D Ă  rĂ©sine, utilisant les technologies SLA ou DLP, sont basĂ©es le processus de photopolymĂ©risation. Une rĂ©sine photosensible contenue dans un rĂ©servoir de l’imprimante 3D, est polymĂ©risĂ©e (solidifiĂ©e) par une source de lumière (laser ou projecteur), couche par couche. Les imprimantes 3D SLA et DLP utilisent de la rĂ©sine liquide photosensible comme consommable : ce type de rĂ©sines sont des photopolymères photosensibles, c’est-Ă -dire qu’elles rĂ©agissent en se solidifiant quand elles sont exposĂ©es Ă  certains rayons lumineux. Dans une imprimante 3D Ă  rĂ©sine (SLA ou DLP), le plateau d’impression est immergĂ© juste sous le niveau de la surface dans un bac contenant la rĂ©sine liquide. Une source de lumière (projecteur pour DLP ou laser pour SLA) vient solidifier la rĂ©sine point par point (SLA) ou couche par couche (DLP). Une fois qu’une couche est complète, le plateau s’enfonce un peu plus dans le rĂ©servoir et le processus se rĂ©pète pour crĂ©er la couche suivante et former peu Ă  peu l’objet final.

Les imprimantes 3D SLA ou DLP sont recommandĂ©es dans les cas oĂą l’objet Ă  imprimer comporte des dĂ©tails fins et requiert une rĂ©solution d’impression Ă©levĂ©e ainsi qu’un aspect lisse pour la surface de l’objet. Les imprimantes 3D rĂ©sine sont ainsi beaucoup utilisĂ©e pour la production de moules en joaillerie ou en dentaire.

La technologie d'impression 3D Digital Light Processing (DLP). Crédits: 3DPrintingIndustry.com.

La technologie d’impression 3D Digital Light Processing (DLP) (source : 3DPrintingIndustry.com).

Les imprimantes 3D DLP (Digital Light Processing)

La technologie d’impression DLP (Digital Light Processing) est une autre technologie utilisĂ©e par les imprimantes 3D Ă  rĂ©sine. L’objet est formĂ© par la solidification de la rĂ©sine photosensible grâce aux rayons UV émis par un projecteur (processus de photopolymĂ©risation). La rĂ©solution du projecteur dĂ©termine in fine la rĂ©solution de l’impression 3D. Les imprimantes 3D DLP sont de plus en plus courantes, notamment car leur vitesse d’impression est supĂ©rieure aux imprimantes 3D SLA, grâce au projecteur qui solidifie d’un coup une surface formant une couche de l’objet tandis que le laser utilisĂ© en SLA fonctionne point par point.

Comment fonctionne une imprimante 3D SLA ?

Le procĂ©dĂ© d’impression 3D par stĂ©rĂ©olithographie, connu sous l’abrĂ©viation SLA, est un processus de fabrication additive utilisĂ© dans les imprimantes 3D SLA Ă  rĂ©sine. Un faisceau de rayons UV est projetĂ© par un laser pour polymĂ©riser (c’est Ă  dire solidifier) une rĂ©sine photosensible contenue dans un bac de l’imprimante 3D et ainsi former un objet solide, couche par couche. Dans une imprimante 3D SLA, un rĂ©servoir contient le matĂ©riau consommable, la rĂ©sine photosensible qui rĂ©agit a certains types de rayons lumineux. Le laser « dessine » l’objet 3D Ă  imprimer dans le bac Ă  rĂ©sine, solidifiant ainsi la rĂ©sine point par point puis couche par couche, en suivant le modèle du fichier 3D d’origine. L’impression 3D SLA permet d’obtenir des rĂ©sultats d’une grande finesse Ă  la texture lisse, contrairement Ă  l’impression 3D en FFF ou FDM oĂą les couches de matières sont visibles sur l’objet final.

Impression 3D SLA vs DLP

Impression 3D SLA vs DLP (source : Alibaba.com)

SLA vs DLP : comparaison des technologies d’impression 3D résine

La principale différence entre les imprimantes 3D SLA et DLP est la manière dont la résine photosensible est polymérisée (solidifiée). Les imprimantes 3D DLP solidifient la résine couche par couche avec un projecteur tandis que les imprimantes SLA solidifient la résine point par point avec un laser.

Avec l’impression 3D DLP, les couches de l’objet final sont solidifiĂ©es d’un coup car le projecteur projette une surface lumineuse et non pas un simple point comme le laser.

Avec les imprimantes SLA, la rĂ©sine photosensible est solidifiĂ©e point par point pour former des couches solides, et fabrique ainsi l’objet par couches successives.

La technique SLA est plus précise et potentiellement plus lente que la DLP. Les lasers sont aussi plus coûteux et difficiles à entretenir au contraire des projecteurs que l’on peut trouver facilement et qui utilisent des lampes facilement remplaçables.

Frittage de poudre et fusion (SLS, SLM...)

Certaines imprimantes 3D, en gĂ©nĂ©ral des machines industrielles, utilisent comme consommable des matĂ©riaux sous forme de poudre (poudre de mĂ©tal par exemple). Les principales technologies d’impression 3D basĂ©es sur de la poudre sont le frittage sĂ©lectif par laser (connu sous le nom SLS pour Selective Laser Sintering) et la fusion sĂ©lective par laser (ou SLM, pour Selective Laser Melting). Ces imprimantes 3D SLS ou SLM sont en gĂ©nĂ©ral destinĂ©es Ă  des applications industrielles comme la production de pièces complexes en mĂ©tal pour l’aviation.

Imprimantes 3D SLS : frittage sélectif par laser (Selective Laser Sintering)

La technologie d’impression 3D de frittage sĂ©lectif par laser (SLS) est basĂ©e sur l’utilisation d’un laser pour fritter un matĂ©riau sous forme de poudre. L’Ă©nergie dĂ©gagĂ©e par le laser permet d’agglomĂ©rer entre eux les grains de matière en poudre (plastique, mĂ©tal, cĂ©ramique…) pour former une structure solide, sans toutefois les fusionner. Les imprimantes 3D SLS sont dotĂ©es d’un bac oĂą est contenu la poudre consommable. Le laser, pilotĂ© par le logiciel de l’imprimante 3D, vient « tracer » dans le bac Ă  poudre la forme de l’objet Ă  imprimer, formant ainsi l’objet dĂ©sirĂ©, couche par couche.

Imprimantes 3D SLM : fusion laser (Selective Laser Melting)

Les imprimantes 3D par fusion laser, ou SLM, utilisent un procĂ©dĂ© proche de la technologie par frittage sĂ©lectif de poudre : la diffĂ©rence est que pour l’impression 3D par fusion laser, le matĂ©riau en poudre est fusionnĂ© et pas simplement frittĂ© par le laser. Le laser va ainsi faire fusionner les particules de poudres pour former un objet solide. Les imprimantes 3D SLM sont utilisĂ©es notamment pour imprimer en 3D des pièces en mĂ©tal dans le cadre d’usages industriels en aĂ©ronautique ou dans le secteur mĂ©dical pour la fabrication de couronnes dentaires en mĂ©tal par exemple.

Les diffĂ©rences entre ces technologies de fabrication additive concernent la manière dont le matĂ©riau en poudre est fondu ou frittĂ©. Pour l’EBM, l’EBAM ou la technologie SLM, les gains de poudre sont entièrement fondus, tandis qu’avec une imprimante 3D SLS ou LS, les grains de poudre sont agglomĂ©rĂ©s par frittage (« sintering ») et non pas fondus complètement, pour former un objet solide.

Il existe de nombreux types de matĂ©riaux en poudre compatibles avec les technologies SLS ou SLM comme des poudres mĂ©talliques (alliages, titanes…), des poudre thermoplastiques, poudres cĂ©ramiques… Ce grand choix de matĂ©riaux aux propriĂ©tĂ©s avancĂ©es font que les imprimantes 3D Ă  poudres (SLS et SLM principalement) sont de plus en plus utilisĂ©es dans des secteurs industriels comme l’aĂ©ronautique, le spatiale ou encore l’automobile, qui requièrent souvent l’utilisation de pièces mĂ©talliques complexes devant offrir une grande rĂ©sistance.

Technologie d'impression 3D Selective Laser Sintering (SLS) - Frittage de poudre laser. Crédits: sculpteo.com.

Technologie d’impression 3D Selective Laser Sintering (SLS) – Frittage de poudre laser (source : sculpteo.com).

Imprimantes 3D EBM (Electron Beam Melting)

La technologie d’impression 3D EBM est basĂ©e sur le mĂŞme principe que la technologie par fusion laser (SLM) : le matĂ©riau sous forme de poudre (mĂ©tal ou plastique) est solidifiĂ© par une source d’Ă©nergie, dans ce cas un faisceau d’Ă©lectrons (« electron beam »). Ce faisceau d’Ă©lectron fait fusionner les grains de poudre pour former l’objet solide.

Autres catĂ©gories d’imprimantes 3D Ă  poudre (DMLS, SLM, SHS, LM…)

Les imprimantes 3D qui utilisent de la poudre comme matĂ©riau d’impression sont principalement destinĂ©es Ă  des usages industriels, comme le prototypage rapide ou la fabrication directe de pièces fonctionnelles. Au-delĂ  des principales technologies d’impression 3D par frittage laser sĂ©lectif (SLS) ou fusion laser (SLM), il existe de nombreuses variantes basĂ©es sur des principes assez similaires : frittage laser (Laser Sintering ou LS), fusion laser (Laser Melting ou LM), frittage sĂ©lectif par chaleur (Selective Heat Sintering ou SHS), frittage laser de mĂ©tal (Direct Metal Laser Sintering ou DMLS), ou encore plâtre lié (Plaster-based 3D Printing ou PP).

 

Pulvérisation de matière (Jetting)

Material Jetting ou projection de matière (Multijet Modeling ou MJM)

L’impression 3D par pulvĂ©risation de matière ou jet de matière (« material jetting ») consiste Ă  utiliser une tĂŞte d’impression pour dĂ©poser du matĂ©riau d’impression liquide sur la plateforme d’impression. En refroidissant, le matĂ©riau liquide se solidifie pour former l’objet final en 3D, couche par couche. Ce procĂ©dĂ© de fabrication additive est aussi appelĂ© Multijet Modeling (MJM), Drop on demande (DOD), Thermojet ou encore Inkjet printing. L’impression 3D par jet de matière permet de fabriquer des objets avec un haute rĂ©solution et de finition (surfaces).

Photopolymer Jetting (PolyJet ou PJ)

Dans le cas d’une imprimante 3D PolyJet ou Photopolymer jetting, la tĂŞte d’impression projette le matĂ©riau photopolymère sur le lit d’impression. La rĂ©sine liquide ainsi projetĂ©e est immĂ©diatement solidifiĂ©e par une source de lumière, en gĂ©nĂ©ral une lampe Ă  UV attachĂ©e aux tĂŞtes d’impression (technologie PolyJet de Stratasys).

La technologie d'impression 3D Binder Jetting (BJ) technology. Image credit: 3Dprintingindustry.com.

La technologie d’impression 3D Binder Jetting (BJ) pulvĂ©risation de liant (source : Additively).

Binder Jetting (BJ)

 

La technologie de fabrication additive appelĂ©e Binder Jetting consiste Ă  dĂ©poser de manière sĂ©lective un agent liant (« binding agent ») sur un matĂ©riau en poudre, afin de lier les particules de poudres entre elles et de former ainsi un objet solide. Cette technologie est notamment utilisĂ©e dans le cadre de l’impression 3D d’objets en couleurs avec un haut niveau de dĂ©tails, comme des figurines 3D par exemple (Inkjet Powder Printing).

Lamination (papier)

La technique de fabrication additive par lamination utilise comme consommable du matĂ©riau sous forme de feuilles très fines (papier principalement, mais aussi aluminium par exemple) pour fabriquer des objets très dĂ©taillĂ©s, en couleurs. Les feuilles sont d’abord empilĂ©es et dĂ©coupĂ©es selon le modèle 3D souhaitĂ©, par un laser ou une lame très coupante. Les couches de matière sont ensuite recouvertes d’un adhĂ©sif et collĂ©es ensembles couche par couche. La prĂ©cision du rĂ©sultat final dĂ©pend principalement de l’Ă©paisseur des feuilles de papier ou du matĂ©riau utilisĂ©.

Le papier est le consommable la plus utilisĂ© dans l’impression 3D par lamination, car c’est un matĂ©riau au coĂ»t abordable et facile Ă  travailler. Les objets imprimĂ©s en 3D avec du papier peuvent ensuite ĂŞtre colorisĂ©s pour produire par exemple des figurines photorĂ©alistes. La technologie d’impression 3D couleur dĂ©veloppĂ©e par le fabricant Mcor est notamment basĂ©e sur la technique de lamination.

Le processus d'impression 3D par lamination. Crédits: 3DPrintingIndustry.com.

Le processus d’impression 3D par lamination (source : 3DPrintingIndustry.com).

Le processus d’impression 3D par lamination est Ă©galement appelĂ© : Laminated Object Manufacturing (LOM) – Fabrication d’objet laminaire. Les matĂ©riaux compatibles avec le processus d’impression 3D par lamination sont le papier et les feuilles de mĂ©tal ou de plastique.

Bio impression 3D

La bio impression 3D est le processus de fabrication additive qui consiste Ă  gĂ©nĂ©rer des agglomĂ©rats de cellules vivantes ou du tissu organique en utilisant l’impression 3D. La bio impression 3D est un procĂ©dĂ© scientifique dont le but est de fabriquer des tissus vivants et des organes fonctionnels. Il est dĂ©jĂ  possible de fabriquer des os ou du cartilage, et bientĂ´t peut-ĂŞtre des muscles et des organes. A l’heure actuelle, il n’existe cependant pas de bio imprimantes 3D capables d’imprimer de tels organes compatibles pour une greffe humaine par exemple.

La bio impression 3D est une technologie encore balbutiante et largement expĂ©rimentale mais dont les progrès rapides sont très prometteurs. La bio impression est une technique dĂ©jĂ  utilisĂ©e par le secteur mĂ©dical et l’industrie pharmaceutique pour des applications comme la fabrication de tissus organiques pour tester de nouveaux mĂ©dicaments par exemple.

Infographie du processus de bio impression 3D. Crédits: Broadsheet.ie.

Infographie du processus de bio impression 3D (source : Broadsheet.ie).

Le schĂ©ma de droite illustre le fonctionnement d’une bio imprimante 3D. Cette imprimante 3D est appelĂ©e “Regenovo“. Elle a Ă©tĂ© conçue et fabriquĂ©e par des chercheurs de l’universitĂ© de Hangzhou Dianzi en Chine. Cette imprimante 3D est capable de crĂ©er des tissus humains, notamment des morceaux de foie ou encore du cartilage. La fabrication de tissus vivants imprimĂ©s en 3D Ă  partir de cellules se dĂ©roule en plusieurs Ă©tapes :

  • Les cellules sont triĂ©es et sĂ©lectionnĂ©es. Elles forment alors une encre biologique, appelĂ©e bioInk.
  • Les cellules ou l’agglomĂ©rat de cellules sont disposĂ©es en 3D grâce Ă  la tĂŞte d’extrusion de la bio imprimante 3D.
  • Les structure 3D obtenues sont incubĂ©es dans un appareil spĂ©cial pour qu’elles dĂ©veloppent leur propres système vasculaire. Il s’agit de la phase de maturation.
  • Les tissus vivants imprimĂ©s en 3D peuvent ĂŞtre utilisĂ©s pour la recherche mĂ©dicale.

Les agrégats de cellules vivantes imprimés en 3D permettent aux bio ingénieurs de fabriquer des tissus vivants complexes