Les technologies d'impression 3D

Qu'est ce que l'impression 3D ? Que peut-on faire avec l'impression 3D ?

L’impression 3D est un procédé de fabrication qui permet de fabriquer des objets physiques. Pour fabriquer un objet, une imprimante 3D dépose successivement des couches de matériau les unes sur les autres, en suivant les instructions d’un fichier 3D.

Ce processus de fabrication est similaire à la construction d’un igloo: des blocs de neige sont empilés les uns sur les autres jusqu’à ce que l’igloo soit terminé. De la meme façon des fines couches de matière vont etre progressivement empilées dans le cas de l’impression 3D.

L’impression 3D est également appelée impression tridimensionnelle, fabrication rapide, fabrication additive ou encore prototypage rapide.

L’impression 3D permet d’utiliser une grande variété de matériaux en fonction des cas d’usage. Pour les particuliers qui utilisent l’impression 3D, le plastique est la matière la plus couramment utilisée. Les professionnels ont à leur disposition des imprimantes 3D plus performantes, capables d’utiliser presque tous les types de matières: métaux, alliages métalliques, plastiques, céamique, verre et papier.

L’impression 3D est capable de s’affranchir de la plupart des contraintes qui s’appliquent aux processus classique de fabrication, tels que moulage, fraisage ou tournage. Pour réaliser des prototypes de qualité rapidement et à faible coût, l’impression 3D est la solution industrielle idéale.

L’impression 3D est en train de révolutionner les processus de fabrication et de conception dans un grand nombre de secteurs industriels.

Infographic materials and 3D printing technologies mapping.

Infographie des matériaux pour l’impression 3D et des différentes technologies.

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Technologies d'impression 3D

L’impression 3D est un synonyme de la fabrication additive et est également appelée prototypage rapide. Plusieurs technologies différentes permettent d’imprimer en 3D. Ces techniques d’impression 3D peuvent être classifiées en 7 catégories.

Extrusion

La technologie d’impression 3D appelée Extrusion (également nommée FDM or FFF) et la plus commune et la plus simple à utiliser. Elle est adaptée à un usage domestique et peut fonctionner dans la plupart des environnements, en intérieur ou exterieur.

Un filament est d’abord chauffé jusqu’à fondre, puis coule à travers une tête d’extrusion, parfois appelée buse. L’imprimante 3D déplace alors la tête d’extrusion et dépose du filament fondu précisément. En refroidissant le filament durcit et finit par constituer un objet solide, couche après couche.

Dans la disposition la plus courante, la tête d’impression 3D est déplacée selon les deux axes horizontaux tandis que le plateau qui supporte l’objet en cours de fabrication bouge verticalement. Lorsqu’une couche de matériau est déposée le plateau d’impression est alors légèrement descendu et l’extrusion recommence.

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

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

Une nouvelle couche de matière est alors déposée sur la précédente. Le processus se répète jusqu’à ce que l’objet soit entièrement imprimé en 3D.

La précision et la qualité du résultat final dépendent principalement du diamètre de la tête d’extrusion et de la mécanique de l’imprimante 3D.

Les matériaux d’impression 3D compatibles avec cette technologie sont les thermoplastiques populaires tels que le thermoplastique polyester aliphatique (PLA), l’acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS), l’alcool polyvinylique (PVA) ou le nylon.

Pulvérisation de matière

L’impression 3D par pulvérisation de matière (material jetting en anglais) consiste à utiliser une tête d’impression qui va déposer de la matière liquide et/ou du liant. Le mélange durcit soit en refroidissant soit par un traitement supplémentaire, ce qui permet de fabriquer un objet solide. La différence par rapport à l’extrusion réside dans le fait que le matériau de base est soit liquide, soit sous forme de poudre.

Lorsque la tête d’impression pulvérise directement la matière qui va constituer l’objet final, alors la technologie porte le nom de Photopolymer Jetting (PJ) – Pulvérisation de photo polymère. Une autre option est de lier la matière de base à un liant spécial (une sorte de colle) pour construire l’objet. La technologie s’appelle dans ce cas Binder Jetting (BJ) – Pulvérisation de liant. Dans le cas du Photopolymer Jetting (PJ) – Pulvérisation de photo polymère, il est possible de combiner en une seule impression 3D plusieurs matériaux aux propriétés physiques différentes en un seul objet.

Il est tout à fait envisageable de produire des lunettes transparentes avec des montures opaques en une seule impression 3D.

La technologie d’impression 3D Binder Jetting (BJ) – Pulvérisation de liant fonctionne avec plusieurs matériaux différents : céramiques, métaux, plastiques et cire.

La technologie d’impression 3D par pulvérisation de matière est également connue sous les noms suivants : Multijet modeling, DOD, drop on demand, Thermojet, Inkjet printing, Binder Jetting (BJ) et Photopolymer Jetting (PJ).

 

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

La technologie d’impression 3D Binder Jetting (BJ)Pulvérisation de liant. Image credit: 3Dprintingindustry.com.

Laminage

La technique d’impression 3D appelée laminage ou lamination est principalement utilisée avec du papier et permet d’obtenir des objets 3D détaillés en couleur. Il est également possible d’utiliser comme matériau d’impression 3D des feuilles d’aluminium ou de plastique.

Lors de chaque étape du processus d’impression 3D, les couches de matériau sont collées et découpées précisément avec un rayon laser ou une lame très coupante.  Le résultat final dépend alors de l’épaisseur d’une seule feuille (100 microns pour une feuille de papier standard).

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

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

Lorsque les couches de matière sont colorées il est possible d’obtenir un objet entièrement en couleur, comme la figurine 3D d’une personne.

Le processus d’impression 3D par lamination est également appelé : Laminated Object Manufacturing (LOM) – Fabrication d’objet laminaire.

Les matériaux compatibles avec le processus d’impression 3D par lamination sont le papier et les feuilles de métal ou de plastique.

Photo polymérisation

La technique d’impression 3D appelée photo polymérisation se base sur les propriétés physiques de certains plastiques qui durcissent lorsqu’ils sont soumis à la chaleur ou à un éclairage spécifique. Le fonctionnement de base de cette technologie d’impression 3D est le suivant : un plateau est immergé dans de la résine liquide.

Une source d’énergie, sous forme de lumière ou de chaleur est précisement dirigée pour faire durcir (photo polymériser) une couche de résine très fine. Les méthodes les plus courantes pour produire l’énergie utilisent un laser (Stereolithographie – SLA) ou un projecteur (Digital Light Processing – DLP).

Après une certaine durée d’exposition, le plateau est séparé de la couche solide de résine qui reste accrochée à un support. Le support est alors déplacé, le plateau à nouveau recouvert de résine et le processus recommence. Couche après couche de la résine solide adhère au support, ce qui créé un objet en 3D.

La technologie d’impression 3D par photo polymérisation est également appelée Stéréolithographie (SLA), fabrication optique, photo solidification, fabrication solide libre ou encore Digital Light Processing (DLP)

Les matériaux compatibles avec la photo polymérisation sont tous des plastiques et portent le nom de photo polymère ou de résine photo sensible.

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

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

Frittage de poudre

La technologie d’impression 3D par frittage de poudre est très performante, fonctionne avec une grande variété de matériaux mais nécessite un environnement industriel contrôlé.

Une poudre (de plastique, métal, alliage métallique ou encore céramique) est utilisée comme matériau de base. Une source d’énergie sous forme de rayon laser ou de faisceau d’électrons est alors précisément dirigée pour faire fondre et fusionner la matière et constituer une couche. Une fois une couche fabriquée, le plateau qui supporte l’objet en cours d’impression 3D est recouvert d’une fine couche de poudre. A ce moment, la tête d’impression qui supporte la source d’énergie est à nouveau utilisée pour créer une nouvelle couche de matière. Le processus se répète alors couche après couche jusqu’à ce que l’impression 3D soit terminée.

L’impression 3D par frittage de poudre est également appelé : Laser Sintering (LS), Laser Melting (LM), Electron Beam Melting (EBM), Selective Heat Sintering (SHS), Selective Laser Sintering (SLS), Direct Metal Laser Sintering (DMLS),  Selective  Laser Melting (SLM) ou Plaster-based 3D Printing (PP). Les matériaux compatibles avec cette technologie d’impression 3D sont les plastiques, métaux et leurs alliages, céramiques et leurs alliages et le verre.

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. Crédits: sculpteo.com.

Bio impression 3D

La bio impression 3D est le processus de fabrication qui consiste à déposer de façon précise des cellules vivantes ou du matériel organique en trois dimensions. Grâce à cette technologie il est possible de fabriquer des structures vivantes intégralement. Cela ouvre des perspectives vertigineuses dans les domaines de la recherche, du soin, ou encore de l’alimentation.

Cette technologie est encore balbutiante et il existe presque autant de principes de fonctionnement que de fabricants de bio imprimantes 3D.

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

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

Le schéma de droite illustre le fonctionnement d’une bio imprimante 3D. Cette imprimante 3D est appelée “Regenovo“. Elle a été conçue et fabriquée par des chercheurs de l’université de Hangzhou Dianzi en Chine. Cette imprimante 3D est capable de créer des tissus humains, notamment des morceaux de foie ou encore du cartilage.

La fabrication de tissus vivants imprimés en 3D à partir de cellules se déroule en plusieurs étapes :

  1. Les cellules sont triées et sélectionnnées. Elles forment alors une encre biologique, appelée bioInk.
  2. Les cellules ou l’agglomérat de cellules sont disposées en 3D grâce à la tête d’extrusion de la bio imprimante 3D.
  3. Les structure 3D obtenues sont incubées dans un appareil spécial pour qu’elles développent leur propres système vasculaire. Il s’agit de la phase de maturation.
  4. Les tissus vivants imprimés en 3D peuvent être utilisés pour la recherche médicale.

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

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