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Impression 3D
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Part 1
L'essentiel
Qu'est-ce que l'impression 3D ? Comment cela fonctionne-t-il ? Quels sont ses principaux avantages et limites et ses principales applications industrielles ?
Nous répondons ici à toutes ces questions et comparons l'impression 3D à la fabrication traditionnelle pour vous aider à comprendre l'état de la technique actuel.
Comment fonctionne l'impression 3D ?
Chaque imprimante 3D construit des pièces selon le même principe : un modèle numérique est transformé en objet physique tridimensionnel en ajoutant une couche de matière à la fois. Et c'est ainsi qu'est né le terme Fabrication additive.
L'impression 3D est une façon fondamentalement différente de produire des pièces par rapport aux technologies de fabrication par enlèvement de copeaux (usinage sur machine à commande numérique) ou de mise en forme (injection plastique).
Dans l'impression 3D, aucun outil spécial n'est nécessaire (par exemple, un outil de coupe avec une certaine géométrie ou un moule). Au lieu de cela, la pièce est fabriquée directement sur la plate-forme et construite couche par couche, ce qui conduit à un ensemble unique d'avantages et de limitations, plus d'informations à ce sujet ci-dessous.
Le procédé commence toujours par un modèle numérique 3D, le plan de l'objet physique. Ce modèle est découpé par le logiciel de l'imprimante en fines couches bidimensionnelles, puis transformé en un ensemble d'instructions en langage machine (G-code) que l'imprimante peut exécuter.
À partir de là, le fonctionnement d'une imprimante 3D varie selon le procédé. Par exemple, les imprimantes FDM de bureau fondent des filaments de plastique et les déposent sur la plate-forme d'impression à l'aide d'une buse (comme un pistolet à colle haute précision commandé par ordinateur). Les grandes machines industrielles SLS utilisent un laser pour faire fondre (ou agglomérer) de minces couches de poudre métallique ou plastique.
Les matériaux disponibles varient également selon le procédé. Les plastiques sont de loin les plus courants, mais les métaux peuvent aussi être imprimés en 3D. Les pièces produites peuvent également présenter un large éventail de propriétés physiques spécifiques, allant d'objets visuellement transparents à des objets de type caoutchouteux.
Selon la taille de la pièce et le type d'imprimante, une impression prend généralement de 4 à 18 heures. Cependant, les pièces imprimées en 3D sont rarement prêtes à l'emploi dès leur sortie de la machine. Elles nécessitent souvent une finition pour obtenir l'état de surface désiré. Ces étapes demandent du temps et des efforts supplémentaires (généralement manuels).
Un bref historique de l'impression 3D
- L'auteur de science-fiction Arthur C. Clarke a été le premier à décrire les fonctions de base d'une imprimante 3D en 1964.
- La première imprimante 3D a été lancée en 1987 par Chuck Hull de 3D Systems et utilisait le procédé de « stéréolithographie » (SLA).
- Dans les années 90 et 2000, d'autres technologies d'impression 3D ont vu le jour, dont les procédés FDM de Stratasys et SLS de 3D Systems. Ces imprimantes étaient chères et utilisées principalement pour le prototypage industriel.
- En 2009, le Comité ASTM F42 a publié un document contenant la terminologie standard sur la fabrication additive. L'impression 3D est ainsi devenue une technologie de fabrication industrielle.
- La même année, les brevets sur le procédé FDM expirent et les premières imprimantes 3D de bureau à faible coût voient le jour grâce au projet RepRap. Ce qui coûtait auparavant 200 000 € est soudainement devenu disponible pour moins de 2 000 €.
- Selon Wohlers, l'adoption de l'impression 3D ne cesse de croître : plus d'un million d'imprimantes 3D de bureau ont été vendues dans le monde entre 2015 et 2017 et les ventes des imprimantes industrielles capables de produire des pièces métalliques ont presque doublé en 2017 par rapport à l'année précédente.
L'impression 3D : au-delà de la frénésie
Où en est l'impression 3D aujourd'hui ? La frénésie est-elle terminée ? Eh bien,peut-être mais....
La frénésie des années précédentes reposait sur l'idée d'une large adoption par les consommateurs. Il s'agissait (et il s'agit toujours) d'une interprétation trompeuse de la réelle valeur ajoutée de la technologie.
L'impression 3D a aujourd'hui trouvé des rôles très spécifiques dans le monde de la fabrication. Les attentes exagérées des années précédentes ont laissé la place à une productivité accrue. De nombreux aspects de la technologie sont maintenant courants et adoptés à la fois par les professionnels et les amateurs.
Bien sûr, l'impression 3D est une technologie en constante évolution. Chaque année, de nouvelles imprimantes 3D sont lancées qui peuvent avoir un impact significatif sur l'industrie. Par exemple, HP a lancé son premier système d'impression 3D relativement tard (en 2016), mais il s'est avéré être l'un des système d'impression 3D industriel les plus populaires dès 2017.
Avantages et limites de l'impression 3D
Il est important de comprendre que l'impression 3D est une technologie qui évolue rapidement. Elle offre un ensemble unique d'avantages, mais elle accuse aussi un certain retard par rapport à la fabrication traditionnelle à certains égards.
Nous résumons ici les avantages et les limites les plus importants de l'impression 3D, en tenant compte des avantages et des inconvénients de toutes les technologies d'impression 3D actuellement disponibles. Utilisez-les pour comprendre où en est l'impression 3D aujourd'hui et où elle se dirige dans un avenir proche.
Avantages de l'impression 3D
L'impression 3D permet de fabriquer facilement des formes complexes, dont beaucoup ne peuvent être produites par aucune autre méthode de fabrication.
La nature additive de la technologie signifie que la complexité géométrique n'est pas liée à un prix plus élevé. Les pièces à géométrie complexe ou organique optimisées pour la performance coûtent autant à l'impression 3D que les pièces plus simples conçues pour la fabrication traditionnelle (et parfois même moins chères car moins de matériau est utilisé).
Dans la fabrication de mise en forme (pensez injection plastique et moulage des métaux) chaque pièce nécessite un moule unique. Ces outils spéciaux ont un coût élevé (à partir de quelques milliers à des centaines de milliers chacun). Pour amortir ces investissements, des pièces identiques par milliers sont fabriquées.
Comme l'impression 3D ne nécessite pas d'outillage spécialisé, il n'y a pratiquement pas de frais de mise en route. Le coût d'une pièce imprimée en 3D dépend uniquement de la quantité de matière utilisée, du temps nécessaire à l'impression par la machine et de la durée des opérations de post-traitement, le cas échéant, nécessaires pour obtenir la finition souhaitée.
Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi nous achetons nos vêtements dans des tailles standardisées ? Pour les raisons que nous venons de mentionner, avec la fabrication traditionnelle, il est tout simplement moins coûteux de fabriquer et de vendre des produits identiques au consommateur.
L'impression 3D permet cependant une personnalisation facile. Comme les coûts de mise en route sont très bas, il suffit de changer le modèle numérique 3D pour créer une pièce sur mesure. Le résultat ? Chaque article peut être personnalisé pour répondre aux besoins spécifiques d'un utilisateur sans impact sur les coûts de fabrication.
L'une des principales utilisations de l'impression 3D aujourd'hui est le prototypage, tant pour la forme que pour la fonction. Cela se fait à une fraction du coût des autres procédés et à des vitesses qu'aucune autre technologie de fabrication ne peut égaler :
Les pièces imprimées sur une imprimante 3D de bureau sont généralement prêtes du jour au lendemain et les commandes passées à un service professionnel avec de grandes machines industrielles sont prêtes à être livrées en 2 à 5 jours.
La rapidité du prototypage accélère considérablement le cycle de conception (conception, essais, amélioration, modifications de la conception). Les produits qui nécessiteraient plus de 8 mois de développement, peuvent maintenant être prêts en seulement 8 à 10 semaines.
Les matériaux d'impression 3D les plus couramment utilisés aujourd'hui sont les plastiques. L'impression 3D en métal trouve également un nombre croissant d'applications industrielles.
La palette d'impression 3D comprend aussi des matériaux spéciaux avec des propriétés adaptées à des applications spécifiques. Les pièces imprimées en 3D d'aujourd'hui peuvent avoir une grande résistance à la chaleur, être très solides ou rigides et même être biocompatibles.
Les composites sont également courants dans l'impression 3D. Les matériaux peuvent recevoir des particules de métal, de céramique, de bois ou de carbone, ou être renforcés de fibres de carbone. Il en résulte des pièces aux propriétés uniques adaptées à des applications spécifiques.
Limites de l'impression 3D
En général, les pièces imprimées en 3D ont des propriétés physiques qui ne sont pas aussi bonnes que celles de la matière utilisée : étant donné que les pièces sont construites couche par couche, elles sont plus fragiles et plus cassantes dans une direction spécifique d'environ 10 à 50 %.
De ce fait, les pièces plastiques imprimées en 3D sont le plus souvent utilisées pour des applications fonctionnelles non critiques. Les procédés DMLS & SLM peuvent cependant produire des pièces métalliques avec d'excellentes propriétés mécaniques (souvent meilleures que la matière d'origine). Pour cette raison, des applications ont été trouvées pour ces procédés dans les industries les plus exigeantes, comme l'aérospatiale.
L'impression 3D ne peut pas concurrencer les procédés de fabrication traditionnels lorsqu'il s'agit de grandes séries de production. L'absence d'un outil ou d'un moule sur mesure signifie que les coûts de mise en route sont faibles, de sorte que les prototypes et un petit nombre de pièces identiques (jusqu'à dix) peuvent être fabriqués de manière économique. Cela signifie également que le prix unitaire ne diminue que légèrement lorsque les quantités sont plus élevées, de sorte que les économies d'échelle ne peuvent pas entrer en jeu.
Dans la plupart des cas, ce volume charnière est d'environ 100 pièces, selon le matériau, le procédé d'impression 3D et la forme de la pièce. Au-delà, d'autres technologies, comme l'usinage sur machine à commande numérique et l'injection plastique, sont plus rentables.
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La précision des pièces imprimées en 3D dépend du procédé choisi et de l'étalonnage de la machine. Généralement, les pièces imprimées sur une imprimante de bureau grâce au procédé FDM offrent une précision assez limitée et des tolérances de l'ordre de ± 0,5 mm. Cela signifie que si vous dessinez un trou d'un diamètre de 10 mm, son diamètre réel après impression sera compris entre 9,5 mm et 10,5 mm.
D'autres procédés d'impression 3D offrent une plus grande précision. Les imprimantes SLA et à dépôt de matière industrielles, par exemple, sont capables de produire des pièces jusqu'à ± 0,01 mm. Il est important de garder à l'esprit, cependant, que ces résultats ne peuvent être atteints qu'après optimisation des caractéristiques spécifiques d'une pièce correctement conçue.
Les pièces métalliques imprimées en 3D pour des applications critiques reçoivent souvent une finition par usinage à commande numérique ou par un autre procédé après impression, afin d'améliorer leurs tolérances et leur état de surface.
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Lire une comparaison approfondie de la précision des différents procédés d'impression 3D →
Les pièces imprimées sont rarement prêtes à l'emploi dès leur sortie de l'imprimante. Elles nécessitent généralement une ou plusieurs étapes de post-traitement.
Par exemple, le retrait du support est nécessaire dans la plupart des procédés d'impression 3D. Les imprimantes 3D ne peuvent pas ajouter de la matière sans quelle ne soit soutenue. Les supports sont des structures imprimées avec la pièce pour ajouter de la matière sous une surface en porte-à-faux ou pour ancrer la pièce imprimée sur la plate-forme d'impression.
Une fois enlevés, ces supports laissent souvent des marques ou des imperfections sur la surface de la pièce avec laquelle ils sont entrés en contact. Ces zones nécessitent des opérations complémentaires (ponçage, lissage, peinture) pour obtenir une finition de surface de haute qualité.
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Applications de l'impression 3D
Nous avons rassemblé ici quelques exemples pour montrer comment l'impression 3D est utilisée et pourquoi elle est choisie pour des cas d'emploi spécifiques.
Aérospatiale
Les ingénieurs de l'aéronautique et de l'aérospatiale utilisent l'impression 3D pour fabriquer des pièces de haute performance. La possibilité de créer des structures optimisées du point de vue topologique avec un rapport résistance/poids élevé et la possibilité de fusionner plusieurs composants en une seule pièce sont particulièrement intéressantes.
Optisys LLC est un fournisseur de composants de micro-antennes pour l'aéronautique et la défense. L'impression 3D métallique a été utilisée pour réduire le nombre de pièces distinctes de leur radar de suivi de 100 pièces à seulement 1 seule. Grâce à cette simplification, Optisys a réussi à réduire le délai de 11 à 2 mois, tout en réalisant une réduction de poids de 95 %.
Automobile
L'industrie automobile a grandement bénéficié de la rapidité d'exécution et de la facilité de personnalisation offertes par l'impression 3D.
Volkswagen utilisait traditionnellement l'usinage CNC pour créer des gabarits et des montages d'usinage personnalisés. La technologie de la machine à commande numérique a généralement des temps de production plus longs et des coûts plus élevés. Les mêmes gabarits et montages d'usinage peuvent être imprimés en 3D pendant la nuit et testés sur la chaîne de montage le lendemain. Les retours d'expérience des opérateurs sont incorporés presque immédiatement et un nouveau gabarit est prêt à être testé le lendemain jusqu'à ce que l'outil parfait soit créé.
Robotique
Dans le domaine de la robotique et de l'automatisation, des pièces uniques sur mesure sont très souvent nécessaires pour développer de nouveaux mécanismes robotiques. L'impression 3D est devenue l'une des principales technologies de fabrication de cette industrie, grâce à sa rapidité, sa grande liberté de conception et sa facilité de personnalisation. La large gamme d'options de matériaux aux propriétés singulières, permet également la création de structures uniques, telles que des robots « soft ».
Une équipe d'étudiants en ingénierie de l'Université d'Anvers a construit un bras robotique humanoïde qui peut traduire la parole en langage des signes et ils ont utilisé l'impression 3D presque exclusivement pour fabriquer toutes les pièces structurelles sur mesure de leur robot.
Outillage industriel
Le développement de nouveaux matériaux d'impression 3D très résistants à la chaleur et très rigides, combiné à la possibilité de créer des pièces sur mesure rapidement et à faible coût, a rendu l'impression 3D incontournable dans les outillages industriels.
Par exemple, l'impression 3D est aujourd'hui utilisée pour fabriquer des moules d'injection de petites séries. Ces moules sont utilisés pour produire quelques centaines de pièces (contre plus de 10 000 pour les moules en métal), mais ne coûtent qu'une fraction du coût d'un moule « traditionnel » et peuvent être fabriqués en une nuit. Ils sont donc idéaux pour les petits volumes, les faibles coûts de production ou les préséries d'essais avant la fabrication à grande échelle.
Soins de santé
Saviez-vous qu'aujourd'hui, aux États-Unis, les aides auditives sont fabriquées presque exclusivement en utilisant l'impression 3D ? En réalité, les entreprises qui n'ont pas adopté la technologie, ont très rapidement cessé leurs activités, car ils ne pouvaient pas suivre la concurrence.
Le domaine de la santé et des prothèses a grandement bénéficié de l'adoption de l'impression 3D. Les formes sur mesure, comme les prothèses auditives, n'ont plus besoin d'être fabriquées à la main. Avec l'impression 3D, elles peuvent être fabriquées rapidement à partir d'un fichier numérique (par exemple en scannant le corps du patient en 3D). Cela permet de réduire considérablement les coûts et les délais de production.
Conception de produits
Grâce à l'impression 3D, les concepteurs de produits peuvent facilement personnaliser leurs créations sans frais supplémentaires. Ils peuvent également créer des prototypes fonctionnels de haute qualité pour un nouveau concept de produit. Cela accélère le cycle de conception et prouve que leur idée fonctionne avant qu'un investissement plus important ne soit engagé.
Par exemple, Paul Kohlhaussen a conçu et créé un prototype fonctionnel de sa caméra ultime. Il a combiné des pièces d'appareils photo de différents modèles et les a fusionnées avec un boîtier personnalisé imprimé en 3D. Il a ensuite présenté son idée à Kickstarter pour obtenir un financement pour son projet.
Divertissement
L'impression 3D est l'un des outils préférés des cinéastes d'aujourd'hui, en raison de sa capacité à créer des accessoires réalistes. La grande souplesse de conception de l'impression 3D aide les professionnels du divertissement à donner vie aux objets de leur imagination. Cela peut maintenant se faire rapidement et à un coût beaucoup moins élevé que par le passé.
Par exemple, Vitaly Bulgarov, un designer de concepts nouveaux dont le curriculum vitae inclut des missions avec des studios de cinéma, comme Paramount et Dreamworks. Il a utilisé l'impression 3D pour transformer rapidement ses esquisses informatiques en objets physiques utilisables pour un film sur lequel il travaillait.
Enseignement
La technologie d'impression 3D a un grand potentiel dans les environnements éducatifs. Avec l'impression 3D, les sujets du cours peuvent être animés par des répliques à l'échelle réelle. Cela permet aux étudiants d'acquérir une expérience pratique (et très précieuse) de la vie réelle.
Des étudiants en génie aérospatial de l'Université de Glasgow ont collaboré avec Rolls Royce pour créer un modèle fonctionnel de moteur à réaction imprimé en 3D. Le modèle donne un retour d'expérience instantané aux étudiants sur les modifications qu'ils apportent au cours de son fonctionnement, ce qui les aide à acquérir une expérience pratique très précieuse.
Inventeurs
Pour les inventeurs qui explorent constamment de nouvelles idées, l'impression 3D est l'outil parfait. L'un de ses principaux avantages est la possibilité de produire un nombre illimité de nouvelles pièces et de nouvelles conceptions sans avoir recours à des fournisseurs externes. Ils peuvent développer et personnaliser leurs designs, ce qui leur permet de créer de nouveaux et meilleurs concepts.
Jack Davies, par exemple, est étudiant en conception de produits à l'Université Nottingham Trent. Il a créé son propre skateboard électrique en utilisant des pièces imprimées en 3D. Sa planche boostée a des capacités comparables à celles d'une planche à roulettes électrique disponible dans le commerce, mais pour environ un tiers du prix.
L'impression 3D par rapport à la fabrication traditionnelle
L'impression 3D est un outil exceptionnel pour la fabrication de pièces sur mesure et le prototypage. En raison de ses caractéristiques uniques, il est cependant mieux adapté à des applications spécifiques.
Lorsque vous choisissez entre une technologie de fabrication additive (impression 3D), soustractive (usinage CNC) ou de mise en forme (injection plastique), il existe quelques conseils simples qui peuvent vous aider à prendre votre décision.
En règle générale :
« L'impression 3D est la meilleure option lorsqu'une seule pièce (ou seulement quelques pièces) sont nécessaires dans un délai court et à faible coût ou lorsque la géométrie de la pièce ne peut être produite avec aucune autre technologie de fabrication. »
Le choix d'une technologie soustractive (usinage CNC) est plus judicieux dans les scénarios suivants :
- Quantité moyenne : Lors de la production d'une centaine de pièces, l'usinage sur machine à commande numérique est généralement plus économique. C'est parce que les économies d'échelle commencent à se faire sentir.
- Géométries relativement simples : Surtout pour les pièces métalliques, lorsque la pièce peut être fabriquée facilement par un processus soustractif, l'usinage sur machine à commande numérique est la meilleure option.
- Exigences en termes de matériaux élevées : Lorsque d'excellentes propriétés de la matière de la pièce sont essentielles, l'usinage sur machine à commande numérique est une meilleure option, car les pièces imprimées en 3D ont généralement une résistance moindre.
- Précision dimensionnelle élevée : Pour les pièces fonctionnelles dotées de tolérances serrées, l'usinage sur machine à commande numérique est la meilleure option. Pour les géométries complexes, une approche hybride (impression 3D puis usinage sur machine à commande numérique) est également une bonne option.
Pour une production plus importante (> 1000 pièces), les technologies de mise en forme (comme l'injection plastique) sont plus économiques et sont généralement les plus rentables.
Pour obtenir une idée rapide du coût unitaire, utilisez le graphique ci-dessous. Dans cette simplification, on a supposé que toutes les technologies sont capables de produire la géométrie de la pièce. Lorsque ce n'est pas le cas, l'impression 3D est généralement la solution de fabrication choisie.
Pour résumer :
« L'impression 3D offre une grande flexibilité en termes de géométries et permet de produire des pièces et des prototypes sur mesure rapidement et à faible coût, mais lorsque de grands volumes, des tolérances serrées ou des propriétés de matériaux exigeantes sont nécessaires, les technologies de fabrication traditionnelles sont souvent une meilleure option. »
Part 2
Procédés d'impression 3D
Après avoir lu cette section, vous aurez un aperçu complet du paysage actuel de l'impression 3D.
Découvrez rapidement les procédés et les matériaux les plus courants, ainsi que des outils décisionnels pratiques pour vous aider à choisir le procédé d'impression 3D optimal pour votre application.
Les différents types d'impression 3D
La norme ISO/ASTM 52900 a classé tous les différents types d'impression 3D dans l'une de ces sept familles :
- Extrusion de matière (FDM) : le matériau est sélectionné et distribué par une buse ou un orifice.
- Photopolymérisation en cuve (SLA & DLP) : le photopolymère liquide dans une cuve est sélectionné et durci par la lumière UV.
- Fusion laser sur lit de poudre (SLS, DMLS & SLM) : une source à haute énergie sélectionne et fusionne les particules de poudre.
- Dépôt de matière (MJ) : les gouttelettes de matériau sont sélectionnées, déposées, et durcies.
- Jet de liant (BJ) : le liquide liant projeté sélectionne et fusionne les zones d'un lit de poudre.
- Dépôt sous énergie concentrée (LENS, LBMD) : une source à haute énergie fait fondre la matière tandis qu'elle est déposée.
- Stratification de matériau en feuille (LOM, UAM) : des feuilles de matière sont collées ensemble et coupées couche par couche.
Une infographie avec toutes les technologies d'impression 3D actuellement disponibles est disponible au téléchargement. Elle illustre les sept catégories d'impression 3D, les principaux matériaux avec lesquels chaque groupe de procédés peut imprimer et les fabricants d'imprimantes les plus populaires.
Les sections suivantes vous présenteront les principes de fonctionnement de base et les avantages et inconvénients des six principaux procédés d'impression 3D actuels.
Après avoir lu ce chapitre, vous serez en mesure de prendre des décisions éclairées sur la technologie d'impression 3D la mieux adaptée à votre application spécifique.
Dépôt de fil fondu (FDM)
Dans le procédé FDM, une bobine de fil est chargée dans l'imprimante, puis alimente la tête d'extrusion, qui est équipée d'une buse chauffante. Une fois que la buse atteint la température désirée, un moteur entraîne le fil à travers la buse, le faisant fondre.
L'imprimante déplace la tête d'extrusion en déposant le matériau fondu à des endroits précis, où il se refroidit et se solidifie (comme un pistolet à colle chaude très précis). Lorsqu'une couche est terminée, la plate-forme d'impression descend et le processus se répète jusqu'à ce que la pièce soit terminée.
Après l'impression, la pièce est généralement prête à l'emploi, mais elle peut nécessiter un post-traitement, comme le retrait des structures de support ou le ponçage de surface.
Le procédé par dépôt de fil fondu est le moyen le plus rentable de produire des pièces et des prototypes sur mesure en thermoplastique. Grâce à la haute disponibilité de la technologie, les délais de livraison sont également les plus courts, du jour au lendemain par exemple. Une large gamme de matériaux thermoplastiques est disponible pour le procédé FDM, adaptés à la fois au prototypage et à certaines applications fonctionnelles.
En ce qui concerne ses limites, le procédé FDM a la plus faible résolution et précision dimensionnelle par rapport aux autres technologies d'impression 3D. Les pièces réalisées par le procédé FDM sont susceptibles de présenter des lignes de couches visibles, donc une opération de finition est souvent nécessaire pour obtenir un aspect de surface lisse. De plus, le mécanisme d'adhérence de la couche rend les pièces issues du procédé FDM intrinsèquement anisotropes. Cela signifie qu'elles seront plus fragiles dans une direction et qu'ils ne sont généralement pas adaptés aux applications critiques.
Stéréolithographie et « Digital Light Processing » (SLA et DLP)
Les procédés SLA et DLP sont similaires et utilisent tous deux une source de lumière UV pour durcir (solidifier) la résine liquide dans une cuve couche par couche. Le procédé SLA utilise un laser à point unique pour polymériser la résine, tandis que le procédé DLP utilise un projecteur de lumière numérique pour éclairer une seule image de chaque couche à la fois.
Après l'impression, la pièce doit être nettoyée de la résine et exposée à une source UV pour améliorer sa résistance. Ensuite, les structures de support sont enlevées et, si une finition de surface de haute qualité est requise, des étapes supplémentaires de post-traitement sont effectuées.
Grâce au procédé SLA/DLP, il est possible de produire des pièces avec une très grande précision dimensionnelle, des détails complexes et une finition de surface très lisse, idéale pour les prototypes visuels. Une large gamme de matières techniques, tels que des résines transparentes, souples, capables d'être coulées et biocompatibles, ou des matériaux conçus pour des applications industrielles spécifiques, sont également disponibles.
En général, les pièces issues du procédé SLA/DLP sont plus fragiles que les pièces obtenues grâce au procédé FDM et ne conviennent donc pas aux prototypes fonctionnels. De plus, les pièces issues du procédé SLA ne doivent pas être utilisées à l'extérieur, car leurs propriétés mécaniques et leur couleur se dégradent lorsqu'elles sont exposées aux rayons UV du soleil. Les structures de support sont toujours nécessaires dans les pièces fabriquées en SLA/DLP, ce qui peut laisser de petites imperfections sur les surfaces avec lesquelles elles entrent en contact et nécessiter une finition supplémentaire pour les enlever.
Frittage sélectif par laser (SLS)
Le procédé SLS commence par le chauffage d'un réservoir de poudre de polymère à une température juste en dessous du point de fusion du matériau. Une lame ou un rouleau de revêtement dépose ensuite une très fine couche de poudre (généralement de 0,1 mm d'épaisseur) sur la plate-forme d'impression.
Un laser CO2 balaie la surface du lit de poudre et agit sur les particules à agglomérer, les liant ensemble. Lorsque toute la section transversale est balayée, la plate-forme d'impression descend d'une couche et le processus se répète. Le résultat est un bac rempli de pièces entourées de poudre non agglomérée.
Après l'impression, le bac doit refroidir avant que les pièces ne soient retirées de la poudre non agglomérée et ensuite nettoyées. Certaines étapes de finition peuvent ensuite être utilisées pour améliorer leur apparence visuelle, comme le polissage ou la teinture.
Les pièces issues du procédé SLS ont de très bonnes propriétés mécaniques quasi isotropes, elles sont donc idéales pour les pièces fonctionnelles et les prototypes. Comme aucune structure de support n'est nécessaire (la poudre non agglomérée sert de support), il est facile de fabriquer des modèles aux géométries très complexes. Le procédé SLS est également excellent pour les petites et moyennes séries (jusqu'à 100 pièces), car le bac peut être rempli sur tout son volume et plusieurs pièces peuvent être imprimées en un seul cycle.
Les imprimantes SLS sont généralement des systèmes industriels haut de gamme. Cela limite la disponibilité de la technologie et augmente son coût et ses délais d'exécution (par rapport au procédés FDM ou SLA, par exemple). Les pièces issues du procédé SLS ont une surface naturellement granuleuse et une certaine porosité interne. Si une surface lisse ou une étanchéité est requise, des étapes de finition supplémentaires sont nécessaires. Attention, les grandes surfaces planes et les petits trous doivent faire l'objet d'une attention particulière, car ils sont sensibles au gauchissement thermique et au frittage excessif.
SLS vs. MJF
A competing technology with similar benefits to SLS is MJF, which was introduced in 2016 by HP. Both technologies create parts that are visually and mechanically almost indistinguishable.
Dépôt de matière (Polyjet)
Le dépôt de matière fonctionne de la même manière que l'impression jet d'encre standard. Cependant, au lieu d'imprimer une seule couche d'encre sur une feuille de papier, plusieurs couches de matière sont déposées les unes sur les autres pour créer une pièce solide.
De multiples têtes d'impression projettent des centaines de minuscules gouttelettes de photopolymère sur la plate-forme d'impression, qui sont ensuite solidifiées (durcies) par la source de lumière UV. Une fois qu'une couche est terminée, la plate-forme d'impression descend d'une couche et le processus se répète.
Des structures de support sont systématiquement nécessaires lors de l'utilisation du dépôt de matière. Un matériau soluble dans l'eau est utilisé comme support qui peut être facilement dissous lors d'une opération de finition et qui est imprimé en même temps que le matériau structurel.
Le dépôt de matière est la technologie d'impression 3D la plus précise (avec SLA/DLP non loin en seconde position). C'est l'un des rares procédés d'impression 3D qui offre des capacités d'impression multi-matériaux et pleine couleur. Les pièces issues du dépôt de matière ont une surface très lisse, comparable à l'injection plastique, et une très grande précision dimensionnelle, ce qui les rend idéales pour les prototypes réalistes et les pièces qui nécessitent une excellente apparence visuelle.
Le dépôt de matière est l'un des procédés d'impression 3D les plus coûteux et ce coût élevé peut le rendre financièrement non viable pour certaines applications. De plus, les pièces produites en dépôt de matière ne sont pas les mieux adaptées aux applications fonctionnelles. Comme en SLA/DLP, les matériaux utilisés pour ce procédé sont des thermodurcissables, de sorte que les pièces produites ont tendance à être fragiles. Ils sont également photosensibles et leurs propriétés se dégradent avec le temps avec l'exposition à la lumière du soleil.
Le frittage laser direct de métal et la fusion sélective par laser (DMLS et SLM)
Le frittage laser direct de métal (DMLS) et la fusion sélective par laser (SLM) produisent des pièces de la même manière que le procédé SLS : une source laser sélectionne et relie les particules de poudre couche par couche. La principale différence, bien sûr, est que les procédés DMLS et SLM produisent des pièces en métal.
La différence entre les procédés DMLS et SLM est subtile : le procédé SLM permet d'obtenir une fusion complète des particules de poudre, tandis que le procédé DMLS chauffe les particules de métal à un point où elles fusionnent au niveau moléculaire.
Les structures de support sont toujours nécessaires dans les procédés DMLS et SLM pour minimiser la distorsion causée par les hautes températures requises pour fusionner les particules métalliques. Après l'impression, les supports métalliques doivent être enlevés manuellement ou par usinage sur machine à commande numérique. L'usinage peut également être utilisé pour améliorer la précision des fonctions essentielles (par exemple, les trous). Enfin, les pièces sont traitées thermiquement pour éliminer toute contrainte résiduelle.
Le procédé DMLS/SLM est idéal pour la fabrication de pièces métalliques avec des géométries complexes que les méthodes de fabrication traditionnelles ne peuvent produire. Les pièces issues du procédé DMLS/SLM peuvent (et doivent) être optimisées sur le plan topologique pour maximiser leurs performances tout en minimisant leur poids et la quantité de matériau utilisée. Les pièces réalisées en DMLS/SLM ont d'excellentes propriétés physiques, dépassant souvent la résistance du métal brut. De nombreux alliages métalliques difficiles à traiter avec d'autres technologies, comme les superalliages métalliques, sont disponibles en DMLS/SLM.
Les coûts associés à l'impression 3D DMLS/SLM sont élevés : les pièces produites avec ce procédé coûtent généralement entre 5 000 € et 25 000 €. Pour cette raison, le procédé DMLS/SLM ne doit être utilisé que pour fabriquer des pièces qui ne peuvent pas être produites avec une autre méthode. De plus, la taille de construction des systèmes modernes d'impression 3D sur métal est limitée, car les conditions de fabrication précises requises sont difficiles à maintenir pour des dimensions de construction plus importantes.
Comparaison des technologies d'impression 3D en métal
L'impression 3D en métal est en plein essor. Nous avons donc rédigé un guide complet pour vous aider à avoir un aperçu exhaustif du paysage de l'impression 3D en métal d'aujourd'hui.
Jet de liant
Le procédé par jet de liant est une technologie flexible avec des applications diverses, allant de l'impression 3D de pièces métalliques à faible coût, au prototypage en couleur et à la production de grands moules en sable.
Dans le procédé par jet de liant, une fine couche de poudre (métal, acrylique ou grès) est d'abord déposée sur la plate-forme d'impression. Des gouttelettes d'adhésif sont ensuite éjectées par une tête d'impression pour sélectionner les particules de poudre à lier ensemble et former une pièce couche après couche.
Une fois l'impression terminée, la pièce est retirée de la poudre et nettoyée. A ce stade, elle est très fragile et nécessite un post-traitement supplémentaire. Pour les pièces métalliques, il s'agit d'un frittage thermique (similaire au moulage par injection de métal) ou d'une infiltration avec un métal à bas point de fusion (par exemple, le bronze), tandis que les pièces colorées reçoivent une infiltration d'adhésif cyanoacrylate.
Le jet de liant peut produire des pièces métalliques et des prototypes en couleur pour une fraction du coût du procédé DMLS/SLM ou de dépôt de matière. De très grandes pièces en grès peuvent également être fabriquées avec le jet de liant, car le processus n'est pas limité par des effets thermiques (par exemple, le gauchissement). Comme aucune structure de support n'est nécessaire pendant l'impression, les pièces métalliques issues du procédé par jet de liant peuvent avoir des géométries très complexes et, comme le procédé SLS, une production en série de faible à moyenne taille est possible en remplissant la totalité du volume du bac de production.
Cependant, les pièces métalliques obtenues grâce au procédé par jet de liant ont des propriétés mécaniques inférieures à celles du métal de base, en raison de leur porosité. En raison des exigences spéciales de post-traitement du jet de liant, des restrictions de conception spéciales s'appliquent. De très petits détails, par exemple, ne peuvent pas être imprimés, car les pièces sont très fragiles hors de l'imprimante et peuvent casser. Les pièces métalliques peuvent également se déformer pendant l'étape de frittage ou d'infiltration si elles ne sont pas correctement supportées.
Comment choisir le bon procédé d'impression 3D ?
Choisir le procédé d'impression 3D optimal pour une application particulière peut s'avérer difficile. Il y a souvent plus d'un procédé qui conviennent et chacun d'entre eux offre des avantages différents, comme une plus grande précision dimensionnelle, des propriétés supérieures des matériaux ou un meilleur fini de surface.
Pour cette raison, nous avons préparé des outils d'aide à la décision et des conseils pour vous aider à choisir le bon procédé d'impression 3D.
En général, il y a trois choses principales dont vous devez toujours tenir compte :
- Les propriétés requises du matériau : solidité, dureté, résistance aux chocs, etc.
- Les exigences fonctionnelles et visuelles de la conception__ : surface lisse, solidité, résistance à la chaleur, etc.
- Les capacités du processus d'impression 3D__ : précision, volume d'impression disponible, épaisseur de couche, etc.
En gardant ces considérations à l'esprit, l'identification de la meilleure solution pour votre application va devenir simple. Nous avons préparé un guide détaillé pour vous aider avec les détails techniques ou alors vous pouvez consulter l'arbre de décision ci-dessous pour une décision rapide.
Part 3
Matières en impression 3D
Les matériaux d'impression 3D sont étroitement liés aux procédés d'impression 3D. Dans cette partie du guide, vous en apprendrez davantage sur les matériaux les plus utilisés aujourd'hui dans l'impression 3D et leurs principales applications.
Matières en impression 3D
Chaque procédé d'impression 3D est compatible avec différentes matières. Les plastiques (thermoplastiques et thermodurcissables) sont de loin les plus courants, suivis des métaux. Certains composites et céramiques peuvent également être imprimés en 3D.
Dans les tableaux ci-dessous, les plastiques et métaux les plus couramment utilisés dans l'impression 3D sont résumés. Si vous êtes à la recherche d'un matériau d'impression 3D avec des propriétés spécifiques, vous trouverez probablement notre index des matériaux utile.
Plastiques
Les plastiques d'impression 3D sont des matériaux légers avec une large gamme de propriétés physiques, adaptés à la fois au prototypage et à certaines applications fonctionnelles.
Ces matériaux sont soit des thermoplastiques (avec les procédés FDM ou SLS), qui conviennent généralement mieux aux applications fonctionnelles, soit des thermodurcissables (avec les procédés SLA/DLP ou Dépôt de matière), qui conviennent généralement mieux aux applications qui exigent un bon aspect visuel.
Vous souhaitez en savoir plus sur l'impression 3D des plastiques ? Nous avons préparé des guides détaillés pour vous.
Métaux
L'impression 3D des métaux est principalement utilisée dans les applications qui requièrent une haute résistance mécanique, une dureté élevée ou une résistance thermique élevée. Lors de l'impression 3D en métal, l'optimisation de la topologie est essentielle pour maximiser les performances de la pièce et atténuer le coût élevé de la technologie.
Les procédés DMLS/SLM sont compatibles avec la plus large gamme de métaux et produisent des pièces pour des applications d'ingénierie de pointe. Pour les cas d'utilisation moins exigeants, le jet de liant gagne en popularité en raison de son coût moindre, l'acier inoxydable étant de loin le matériau le plus utilisé.
Les systèmes d'impression 3D à base d'extrusion de métal (similaires au FDM) seront lancés en 2018, ce qui devrait faire baisser les coûts de l'impression 3D des métaux à des fins de prototypage.
Part 4
Conception pour l'impression 3D
Cette section vous donnera des conseils sur la façon de préparer correctement vos fichiers numériques pour l'impression 3D. Nous approfondirons les meilleures pratiques de conception et vous donnerons des recommandations sur les logiciels à utiliser.
Si la modélisation 3D semble difficile (ou si vous êtes simplement à court de temps), nous vous donnons une liste des meilleures ressources de modèles en ligne pour vous aider à trouver les modèles existants.
Comment obtenir un modèle imprimable ?
Tout ce dont vous avez besoin pour démarrer l'impression 3D est un modèle au format de fichier STL. En fonction de vos compétences en conception et du temps que vous souhaitez investir, vous pouvez soit concevoir vous-même ou télécharger à partir de ressources en ligne.
Dans les prochaines sections, nous explorerons les deux options.
Le format de fichier STL
STL est le format de fichier standard de l'industrie que toutes les imprimantes 3D utilisent. Il utilise des triangles pour représenter les surfaces extérieure et intérieure d'un objet 3D solide.
Considérez les fichiers STL comme les PDF de l'impression 3D : ils contiennent toutes les informations nécessaires pour imprimer un modèle, mais ils ne sont pas faciles à modifier.
Conception pour l'impression 3D
Si vous êtes déjà un adepte de la conception 3D (ou si vous êtes prêt à vous salir les mains), alors il est facile de créer vous-même un modèle 3D imprimable. Il vous suffit d'utiliser votre logiciel de CAO favori et de sauvegarder vos modèles au format STL (tous les logiciels de CAO modernes en sont capables).
N'oubliez pas que malgré la grande liberté de conception offerte par l'impression 3D, certaines restrictions s'appliquent malgré tout : tout peut être « dessiné » en 3D sur un écran, mais tout ne peut pas être imprimé en 3D.
Pour vous faciliter la vie, nous avons créé une infographie qui résume les règles de conception les plus importantes pour chaque procédé d'impression 3D. Vous pouvez l'imprimer et le poser près de votre poste de travail pour l'avoir toujours à côté de vous lors de la conception.
Si vous souhaitez aller plus loin, nous avons préparé plusieurs guides décrivant les considérations clés de conception pour l'impression 3D, pleins de conseils et d'astuces pratiques.
Voici les 3 choses les plus importantes à surveiller :
- Zones en porte-à-faux et supports : les imprimantes 3D ne peuvent pas déposer de la matière sans support. Les parois avec un angle supérieur à 45° nécessiteront un support, ce qui affectera la qualité de la surface.
- Niveau de détail : la plus petite fonction qu'une imprimante peut créer dépend de la taille de la buse ou du laser qu'elle utilise.
- __Épaisseur de la couche __ : l'épaisseur de la couche affecte la résolution verticale d'une pièce. Ses effets sont visibles dans les zones à plus grande courbure (comme un escalier).
Pour des conseils de conception spécifiques pour chaque procédé d'impression 3D, consultez les liens :
Conception pour le procédé FDM →
Conception pour le procédé SLA/DLP →
Conception pour le procédé SLS →
Conception pour le procédé Dépôt de matière →
Quel est le meilleur logiciel pour l'impression 3D ?
Différents logiciels peuvent vous aider à chaque étape du processus de conception : de la conception en CAO, à la réparation et à la préparation du fichier STL. Dans cette section, nous énumérons les meilleurs logiciels d'impression 3D pour vous aider à commencer.
Voici la liste des logiciels de conception assistée par ordinateur que nous vous recommandons d'utiliser pour la conception de pièces pour l'impression 3D :
Si vous recherchez les meilleurs outils pour modifier ou réparer vos fichiers STL avant de les envoyer en impression, voici une liste des meilleurs logiciels actuellement disponibles :
Le processus de conversion d'un fichier STL en langage machine (G-code) s'appelle le découpage en couches. Voici quelques-uns des plus populaires et des meilleurs logiciels de découpage en couches d'aujourd'hui :
Trouver un modèle en ligne
Si vous êtes débutant en conception de pièces (ou si vous cherchez simplement quelque chose à imprimer rapidement), alors l'une des nombreuses ressources en ligne pourrait déjà avoir ce que vous cherchez.
Voici quelques sites que nous recommandons :
- Thingiverse → La plus grande ressource en ligne avec des milliers de fichiers imprimables en 3D gratuits pour les machines d'impression 3D de bureau.
- MyMiniFactory → Un site populaire avec des modèles 3D gratuits dont la qualité a été testée et qui sont garantis imprimables en 3D.
- Cults → Un site de vente en ligne avec des modèles 3D imprimables de haute qualité conçus par des designers professionnels, et des collections de pièces conservées liées à des grandes marques.
- Pinshape → Un site de vente en ligne avec des fichiers imprimables en 3D gratuits et payants, destinés principalement aux passionnés.
- GrabCAD → Ressource en ligne comprenant de nombreux modèles 3D et également des fichiers 3D imprimables, destinés principalement aux professionnels de l'ingénierie.
Part 5
Commencer en impression 3D
Il est temps de mettre vos connaissances en pratique. Dans cette section, nous vous guiderons à travers les étapes de base nécessaires pour commencer en impression 3D : du choix de l'imprimante à acheter à l'utilisation d'un service en ligne.
Acheter une imprimante ou utiliser un service d'impression 3D ?
Une fois que votre modèle est prêt, il est temps de l'imprimer ! Là encore, vous avez deux possibilités : vous pouvez soit acheter votre propre imprimante 3D, soit utiliser un service en ligne. C'est une décision importante à prendre, c'est pourquoi nous avons rassemblé les arguments pour vous aider à faire le bon choix en fonction de vos besoins spécifiques.
Peu importe la façon dont vous décidez de procéder, nous vous donnons des conseils sur ce que vous devez faire dans les deux sections suivantes.
| Achetez une imprimante 3D si... | Utilisez un service en ligne si... |
|---|---|
| Vous devez imprimer régulièrement (de 10 à plus de 25 fois par semaine) | Vous devez imprimer trop peu (moins de 5) ou trop (+ de 25) pièces par mois |
| Vous avez une application spécifique en tête pour l'imprimante | Vous souhaitez imprimer à l'aide de plusieurs procédés et matériaux, y compris avec des imprimantes industrielles. |
| Vous êtes prêt à réaliser un investissement important | Vous voulez accéder aux dernières technologies à tout moment |
| Vous êtes prêt à configurer, bricoler et optimiser votre machine | Vous préférez consacrer votre temps à la conception et à la mise au point de vos modèles |
| Vous disposez de l'espace et du temps nécessaires à l'installation et à l'utilisation de l'imprimante | Vous souhaitez tester et apprendre avant de décider quelle imprimante acheter |
Quelle imprimante 3D devriez-vous acheter ?
Pour répondre à cette question, chaque année, nous faisons appel à notre réseau mondial de fournisseurs de services d'impression 3D pour rassembler leurs retours d'expériences et en savoir plus sur les imprimantes 3D qu'ils possèdent.
Avec les commentaires de plus de 10 000 propriétaires d'imprimantes 3D vérifiés, qui ont réalisé environ 1,48 million d'impressions sur plus de 650 modèles d'imprimantes 3D différents, le résultat de nos recherches constitue le guide pour l'impression 3D le plus complet disponible.
Comment utiliser un service d'impression 3D ?
Chez 3D Hubs, nous mettons au point la solution de fabrication la plus aboutie au monde. L'une de nos principales offres est notre service d'impression 3D.
En combinant notre réseau mondial de services de fabrication avec notre moteur d'approvisionnement intelligent, vous pouvez accéder instantanément à la capacité de production d'impression 3D disponible près de chez vous avec les meilleurs prix et délais possibles.
Lorsque vous téléchargez une pièce, notre logiciel Design for Manufacturing (DFM) détecte tous les problèmes de conception potentiels avant le début de la production, réduisant ainsi les coûts et les délais.
Ainsi, vous pouvez être sûr de toujours obtenir le meilleur prix possible dans les meilleurs délais pour vos pièces imprimées en 3D.
Part 6
Ressources utiles
Dans ce guide, nous avons abordé tout ce dont vous avez besoin pour vous familiariser avec l’impression 3D. Mais il reste beaucoup à apprendre.
Ci-dessous, vous trouverez la liste des ressources les plus utiles concernant l'impression 3D et d'autres technologies de fabrication numérique pour ceux qui souhaitent approfondir leurs connaissances.
Base de connaissances
Ici, nous avons abordé tout ce dont vous avez besoin pour vous lancer dans l'impression 3D. Il y a encore beaucoup à apprendre dans notre base de connaissances, une collection d'articles techniques sur toutes les technologies de fabrication, rédigés par des experts de 3D Hubs et de l'industrie manufacturière.
Voici une sélection de nos articles les plus populaires concernant l'impression 3D :
Le manuel de l'impression 3D
Si vous êtes un professionnel cherchant à maîtriser les aspects fondamentaux de l'impression 3D, ce livre est fait pour vous.
Ce que renferme ce guide :
- Un aperçu du mécanisme de base de toutes les principales technologies d'impression 3D.
- Une compréhension des avantages et des limites de chaque technologie.
- Des outils de prise de décision pour le choix de la technologie.
- Des conseils et principes pratiques en matière de conception.
- Des études de cas de l'industrie provenant de marques leaders à l'échelle mondiale.
Guides sur d'autres technologies de fabrication
Vous voulez en savoir plus sur la fabrication numérique ? Il y a plus de technologies à explorer :