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De Impression 3D
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Bienvenue sur le site de l'impression 3D.

L’impression 3D représente un changement technologique radical dans la façon de produire des objets. La simplicité d’utilisation et l’accessibilité de l’équipement en font un incontournable de tout processus d’élaboration d’un produit, notamment au moment du prototypage. Son fonctionnement s’apparente à celui de l’impression 2D. Un fichier est envoyé à l’imprimante qui assimile les données et plutôt que d’imprimer un document, il produit un objet selon les spécifications du fichier. Le résultat s’obtient selon un processus de fabrication additive où vient se superposer des couches de matières jusqu’à obtenir le produit réel. L’étendue des possibilités est telle (mécanique, bio-médical, produits du quotidien) qu’il est difficile d’entrevoir les limites de l'impression 3D.


Historique de l'impression 3D

Jusqu'à récemment, tous les objets étaient fabriqués selon trois grandes techniques : 1) En soustrayant peu à peu de la matière jusqu'à former la pièce (sculpture, découpe, fraisage, forage, etc.) 2) En combinant plusieurs matériaux (tissage, collage, etc.) 3) En déformant la matière pour lui donner la forme souhaitée (moulage, pliage, etc.). Ces procédés de fabrication impliquent la plupart du temps la combinaison de ces trois procédés et par conséquent, le recours à de nombreux équipements, matériaux et compétences spécialisées dans chacune de ces techniques. Cela requiert aussi la plupart du temps une chaîne de production en fonction de la complexité de l’objet à produire. L’impression 3D révolutionne ces procédés et simplifie la production d’un objet en la rendant possible à partir de deux éléments : l’ordinateur et l’imprimante. En effet, L'impression 3D poursuit une révolution amorcée par l'avènement du numérique. Jusqu'à la fin des années 1960, l'industrie manufacturière était entièrement mécanique; conception et fabrication suivaient alors un processus linéaire, séquentiel et hiérarchisé. À partir des années 1970 les premiers outils numériques apparaissent facilitant ainsi le travail des concepteurs et des manufacturiers, notamment grâce au dessin assisté par ordinateur (dao), à la conception assisté par ordinateur (cao) et à la fabrication assisté par ordinateur (fao). Plus concrètement, ces nouveaux équipements permettent alors des simulations numériques comme des études des charges, de tracer de trajectoires mathématiques et géométriques dans des plans numériques, et ouvrent également la voie aux déplacement simultanés en usine grâces à des outils pilotés par commandes numériques. C'est ensuite dans les années 1980 que la chaine numérique apparait avant de véritablement se démocratiser dans les années 2000. Il est alors important de souligner l'évolution de la méthode de conception de produit. Elle passe d'un développement en linéaire et en 2 dimensions (dessins techniques, géométrie descriptive, perspective cavalière, plan de coupe, etc), à un développement plus direct nécessitant moins de qualifications spécifique (maquettistes, ébéniste, modeleurs, etc) et plus à même de cerner le produit fini. En effet, il était alors possible d'accéder à un prototypes seulement à la toute fin du processus de conception et de fabrication. Désormais, le développement des outils numérique et tout particulièrement l'imprimante 3D, permet un dialogue bien plus rapide entre étape de conception et fabrication, optimisant ainsi le développement de produit. On pourrait alors croire que l’impression 3D est une nouveauté, puisqu’elle a fait irruption que récemment dans les médias. En fait, elle existe en réalité depuis environ 25 ans. Elle est longtemps restée cantonnée à un usage industriel très spécialisé, d’abord employée à des fins de prototypage et d’outillage rapides. Cette entrée discrète par la petite porte lui a permis de faire ses preuves, tranquillement, mais sûrement[1].

La toute première imprimante 3D, la SLA-250, a été lancée fin 1988 par ce qui était alors une très jeune entreprise, 3D Systems. Celle-ci fut fondée en 1986 par l’ingénieur Chuck Hull, auteur d’une soixantaine de brevets dans le domaine du prototypage rapide. Le procédé utilisé était la stéréolithographie, technique qu’il a mise au point et brevetée en 1984. À cette époque, l’expression « impression 3D » n’existait pas encore. Chuck Hull parle de "stereolithography apparatus", qui désigne un système de fabrication par couches successives utilisant un matériau sensible aux rayons ultraviolets. L’imprimante remporte d’emblée un franc succès dans le monde industriel. L’entreprise 3D Systems est d’ailleurs à l’origine du STL (Standard Tessellation Language), un format de fichier devenu depuis le standard pour l’impression 3D. À la même époque, comme cela est souvent le cas dans l’histoire des techniques, d’autres inventeurs mettent au point des procédés de fabrication additive. En 1988, Scott et Lisa Crump créent l’entreprise Stratasys. Ils sont alors en plein développement du procédé FDM (Fused Deposition Modeling) qui sera breveté l’année suivante. La société met sur le marché ses premières imprimantes basées sur cette technologie, qui permet de déposer le matériau liquéfié couche par couche grâce à une tête d’extrusion qui se déplace. La FDM donnera plus tard naissance aux imprimantes personnelles.

Il faut ensuite attendre 1993 pour voir apparaître le procédé 3DP (Three Dimensional Printing), mis au point au MIT (Massachussets Institute of Technology). Il est assez près de la technique employée par les imprimantes 2D à jet d’encre : une glu est projetée sur une surface de poudre pour former peu à peu l’objet. En 1995, l’entreprise Z Corporation obtient du MIT le droit d’utilisation exclusif du procédé 3DP et commence le développement de ses imprimantes, destinées uniquement au monde industriel[1].

Usages et applications de l'impression 3D

Les champs d'applications de l'impression 3D semblent offrir la possibilité de s'étendre à tous les secteurs comme à tous les volumes. L'impression 3D est souvent reconnue comme un outil de développement rapide de produit, néanmoins elle offre une grande variété d'autres applications possibles. Bien qu'encore embryonnaire dans plusieurs domaines, on peut constater la mise en marché de plus en plus d'appareils et de réalisations, qu'ils soient dédiés aux entreprises (étatiques ou privées) ou aux particuliers.

Les technologies d'impression 3D

La technologie derrière les imprimantes 3D repose sur différentes approches. En effet, il existe plusieurs procédés permettant de faire des impressions 3D. La technique d’impression peut différer selon la forme désirée et le type d’imprimante utilisée. On peut classer ces procédés en trois groupes, soit le dépôt progressif de matière, la photopolymérisation et l’agglomération par liage de poudre[2]. Toutefois, le principe reste toujours le même, chacune des méthodes fonctionne par addition de couches successives. Seule diffère la façon dont sont déposées et traitées ces couches, ainsi que les matériaux utilisés.

Les modèles d'imprimantes 3D

Plusieurs modèles d'imprimantes 3D existent sur le marché, utilisant différentes technologies. Bien que certains modèles soient dirigés davantage pour les entreprises en raison de leur précision ou leur prix, plusieurs manufacturiers offrent désormais, des imprimantes personnelles accessibles aux particuliers.

Matériaux d'impression

Les matériaux disponibles pour l’impression 3D se trouvent sous différentes formes incluant des filaments, des poudres, des granules, des résines et autres. Plusieurs fabricants offrent des mélanges conçus pour des applications très spécifiques, notamment le secteur dentaire et la joaillerie. D’autres permettent même aux consommateurs de créer leur propre mélange en combinant des matériaux de base aux propriétés totalement différentes afin de créer des produits réalistes qui imitent le surmoulage ou qui marient transparence et opacité en une seule impression. Limitée pendant longtemps à des matériaux de type plastique tels que les classiques PLA et l’ABS, l’impression 3D voit arriver de nouveaux filaments composites à base de métal (cuivre, bronze…) et même certains produits dérivés du bois comme la cellulose. Plus rarement certaines machines utilisent des cires ou des polycarbonates. Aujourd’hui l’industrie agroalimentaire et la médecine s’emparent peu à peu de cette technique pour imprimer des aliments et des cellules en adaptant la tête d’extrusion.

Anatomie d'une création 3D

Pour imprimer un objet en 3D, il est nécessaire de bien comprendre le lexique de l'anatomie d'une création 3d.

Les logiciels de modélisation

Impossible d'imprimer une pièce en 3D sans fichiers faisant référence à un modèle 3D. Il existe une multitude de logiciels de modélisation différents, qui possèdent des spécifications qui diffèrent en fonction du domaine dans lequel ils sont utilisés (mécanique, architecture, animation ou encore jeux vidéo)[3]. Il y a quatre grandes catégories de logiciels, soit les logiciels de modélisation 2d, les modeleurs 3D filaires, les modeleurs 3D surfaciques et finalement les modeleurs 3D volumiques.

De plus, différents formats de fichiers de modèles 3D existent afin d'envoyer les pièces à l'impression, mais aussi afin de les partager entre utilisateurs ou sur le web.

Outre les modeleurs 3D, il est possible d'imprimer des pièces de formes existantes en trois dimensions à l'aide d'un scan 3D. Des scanners 3D existent afin de générer ce type de fichiers, qui représentent une révolution en soi.

Enjeux de l'impression 3D

Perspectives

Un outil qui bouleverse les fondements de la société

Alors que certains perçoivent l’imprimante 3D comme un gadget ou un objet plus ou moins utile, d’autres s'entendent pour dire qu’il s’agit d’une technologie révolutionnaire qui réformera la production industrielle. Déjà, il est possible de percevoir le caractère révolutionnaire de cet outil ainsi que les enjeux qu’il soulève dans la société actuelle. Comme ses applications sont presque infinies, l’impression 3D pourrait avoir des conséquences majeures sur l’économie en modifiant les modes de consommations actuels. Elle ouvre la perspective d’un mode de production incluant des clients producteurs. Pour le moment, cette technologie s’ajuste difficilement aux procédés industriels, car elle augmente les contraintes lors du montage final dans la chaîne de production, la majorité des pièces imprimées étant mono matériaux et réalisées une à une.

Par ailleurs, l’engouement des consommateurs pour le «Do it yourself», à savoir pour les objets faits à la main, se trouvent supporter par les possibilités de l'imprimante 3D qui, d’une certaine façon, permettent de démocratiser cette tendance. Il devient possible de réaliser des projets de production sans avoir recours à des producteurs industriels. Certains objets, qui ne sont plus fonctionnels, pourront être réparés plus facilement. Certaines composantes des objets coûtent parfois plus cher à changer que l'achat d'un nouveau produit. L'imprimante 3D permet ainsi de remplacer les pièces qui ne fonctionnent plus. Par contre, il s'agit d'un enjeu majeur pour les entreprises : leur chiffre d'affaires pourrait diminuer. Comme l'imprimante offre une infinité de possibilités pour l'usager, le rôle des entreprises dans les habitudes de consommation de la société pourrait se voir modifié. Il est alors intéressant de faire un parallèle avec le domaine de « l' open source » très présent dans le domaine de l'informatique. En effet, il pourrait être bénéfique pour les entreprises de repenser leur modèle d'affaires et leur image de marque, en proposant les plans de leurs pièces les moins sophistiquées afin de laisser la possibilité aux utilisateurs de réparer des composantes qui sont devenues non fonctionnelles.

Cette technologie est aussi un moyen de conférer aux objets une seconde vie. Cela pourrait permettre d’éviter le recyclage de certains produits en leur allouant une deuxième fonction. C'est d'ailleurs le mandat du Project RE_

Cadre législatif

Il devient néanmoins nécessaire d'établir un cadre législatif autour de l'impression 3D. En effet, elle peut également être utilisée à mauvais escient. En plus de menacer la propriété intellectuelle et les droits d'auteurs, elle permet une fabrication artisanale de produits interdits à la vente ou à l'accessibilité limitée. C'est notamment le cas des armes à feu, dont on retrouve une multitude de schémas et patrons prêts à l'emploi sur le Web. Ces dernières années, de nombreux cas ont été mentionnés sur le Web et par différents médias. Le cas de Cody Wilson, un jeune texan militant pour la libre circulation des armes, est l'un des plus répertoriés jusqu'à présent.

L'impression de molécules chimiques est aussi en développement, permettant plusieurs opportunités comme la création de médicaments par exemple. Toutefois, cette utilisation nécessitera une attention particulière comme elle permet aussi la création de drogue chimique. Tout comme les armes à feu, la drogue pourrait devenir une utilisation malsaine de l'impression 3D.

Les droits d'auteur sont aussi un aspect important à considérer dans le domaine de l'impression 3D. Comme il est possible de reproduire une multitude de produits, comment contrôler les copies illégales ? Plusieurs possibilités sont envisagées à ce jour, notamment payer pour des droits d'auteur ou encore obtenir le consentement du créateur. La reproduction multiple serait aussi interdite et devra être contrôlée d'une manière ou d'une autre. Certains Startups développent des solutions de sécurisation des documents 3D qui assurent un transfert unique du fichier. Le Streaming pourrait aussi être utilisé dans le téléchargement de fichier 3D, permettant de faire disparaître le fichier une fois que l'objet est imprimé. Ensuite, les impressions pourraient être monétisées et serviraient à payer les auteurs en fonction du nombre d'impressions effectuées. Les futures réglementations trouveront bien une façon de normaliser les droits d'auteur des produits en distribution sur le Web.


Applications futures

En plus de modifier l'économie et les modes de consommation, l'impression 3D laisse peu à peu entrevoir des avancées majeures dans des domaines encore insoupçonnés. C'est notamment le cas de l'exploration spatiale. En effet, l'Agence Spatiale Européenne (ESA) a récemment présenté un projet de construction d'une base lunaire employant la technologie de l'impression 3D. Afin d'éviter d'importants coûts de mise en orbite liés au poids et aux grands volumes, l'agence propose d'employer de la poussière lunaire pour construire une couche protectrice autour d'un module d'habitation gonflable. La structure serait alors plus résistante, imperméable aux radiations et pourrait être agrandie ou réparée à moindre coût, grâce à l'accessibilité des matériaux. Il serait alors plus rentable d'envoyer seulement des véhicules munis d'imprimantes 3D pilotés depuis la terre, limitant également les risques de lancement [4]. À ce propos, une équipe européenne a d'ailleurs récemment réussi à imprimer un petit objet tridimensionnel en PLA (acide polylactique) malgré une gravité nulle[5].

Limites de l'impression de 3D

Si la notion d’impression 3D commence à se démocratiser, il faut néanmoins relativiser au regard de son faible taux d’adoption en entreprise et dans les foyers de la classe moyenne. En effet, malgré ses atouts indéniables, cette technologie est encore relativement jeune et se heurte à un certain nombre de barrières. Dans un premier temps, la vitesse d’impression est un facteur extrêmement pénalisant, il faut parfois plusieurs heures pour modéliser des formes qui ne prendraient que quelques secondes à l’aide d’une technique plus conventionnelle. Par la suite, si la liste des matériaux imprimables s’étend de jour en jour, elle reste cependant limitée (bois, cuir, textiles, etc.). Par ailleurs, la qualité de fabrication est généralement plus grossière et friable.

Dans un autre registre, l’impression 3D est encore relativement coûteuse. Les coûts d’équipement atteignent en moyenne plusieurs centaines de dollars pour les particuliers, et jusqu’à plusieurs dizaines de milliers pour les entreprises. À ce coût s’ajoutent également les frais de formation pour les logiciels et la maintenance.

L'aspect environnemental est aussi à considérer, comme la majorité des matériaux utilisés par l'impression 3D sont encore du plastique, principalement l'ABS. La toxicité des émissions du procédé n'est aussi pas optimale et demande une prudence supplémentaire lors de l'utilisation de l'imprimante.

Enfin, de par son caractère novateur, l’impression 3D se fraie un chemin dans une société qui n’est pas encore totalement prête. Elle pose en effet des problèmes de traçabilité (provenance, composition) de normes (sécurité), et de propriétés intellectuelles (copie encore plus accessible)[6].

Sources de perturbations de l'industrie

La perturbation de l'impression 3D dans l'industrie de la production ne provient pas du processus d’impression en 3 dimensions, mais plutôt du fait que n’importe qui peut acheter et utiliser une imprimante 3D. Ceci change radicalement la façon dont les produits sont faits dans pratiquement toutes les industries. Des détaillants installent des systèmes 3D dans leurs magasins pour permettre aux consommateurs de créer leurs propres produits. Même des petites imprimantes 3D à un prix abordable sont vendues pour un usage domestique. Ainsi, tout le monde peut maintenant devenir fabricant, en créant et en vendant une variété de produits sur le marché sans sécurité, sans test ou contrôle réglementaire faisant partie de la fabrication traditionnelle.

Dé-globalisation de la fabrication

Bientôt, le lancement d’un produit pourra être fait mondialement, et ce, simplement par l’envoi d’un fichier vers divers lieux de fabrication. Le long processus de conception d’un produit, débutant dans un pays, s’assemblant dans un ou plusieurs autres et se dirigeant partout au monde, est alors réduit de beaucoup. La fabrication additive permet de produire localement des objets de plus en plus complexes. Il ne sera bientôt plus nécessaire de sous-traiter certaines composantes d'un produit dans les pays en voie de développement, qui sont souvent moins coûteux et moins soucieux de l’empreinte environnementale laissée par la production. Évidemment, ce mode de fabrication écourté peut avoir de lourds impacts économiques et s’avérer menaçant pour les économies qui se fondent sur la fabrication en grandes séries par exemple.

Impact sur l’industrie des transports

Actuellement, la production des produits s’étend sur un long cycle. Les marchandises sont distribuées mondialement par voies maritimes suivant diverses méthodes risquées et peu respectueuses de l’environnement pour ensuite être acheminées à leur destination par voies terrestres. Avec l’impression 3D, le client n’a qu’à se rendre sur le site web d’un fabricant local ou non, pour commander un produit tel quel ou encore pour le personnaliser avant l'envoie du concepteur. L’usager a aussi l’opportunité de récupérer sa commande par lui-même dans les heures qui suivent. Le transport, l’entreposage et la distribution sont alors réduits de beaucoup. À plusieurs niveaux, la pollution, principalement liée au transport, et les coûts de la fabrication en petite série sont réduits, voire même nuls.

Changement dans les matières premières

Comme mentionné précédemment, la fabrication additive permet d’utiliser d’autres matériaux que ceux qui servent à la fabrication traditionnelle d’objets. Si la rentabilité du processus de fusion de plusieurs polymères pour la confection d’objets complexes est prouvée, de nombreuses entreprises qui fournissent des matières premières aux usines de transformation devront adapter leur offre. La fabrication au moyen des nouvelles technologies pourrait permettre par exemple d’enrayer le recours au bois dans la construction d’un bâtiment.

Contrôle/Réduction de l’obsolescence programmée

L'impression 3D est bénéfique pour les consommateurs, qui peuvent maintenant réparer leurs objets par eux-mêmes et ainsi, réduire leur consommation annuelle. Elle est également bénéfique pour l'environnement, car l’imprimante permet la suppression de certains objets obsolètes, diminuant ainsi la mise au rebut d'objets techniques ou technologiques non fonctionnels. Comme mentionné précédemment, ce facteur devient un enjeu important pour les entreprises qui tiraient profit de l’obsolescence des produits pour faire augmenter leur vente. L’impression 3D permet de reconstituer une pièce défectueuse et peut ainsi réduire le recours au remplacement d’un produit par l’achat d’un nouveau. Par contre, l’impression 3D ne permet pas de couvrir tous les types d’obsolescence pouvant affecter un produit, mais elle exerce certainement un effet positif sur l'obsolescence de type technologique.

Gain au niveau de la productivité

L'impression 3D permet aux concepteurs d'être beaucoup plus productifs. En effet, avec cette nouvelle technologie, il est possible de confirmer les formes et les grosseurs d'un produit avant de l'envoyer en la production. Du coup, cette rapidité permet d'avoir des rétroactions de la part des usagers durant le processus de développement, de valider les formats à plusieurs reprises, de personnaliser d'avantage les objets et d'avoir des pièces beaucoup plus précises et soignées que celles d'origines. Il s'agit d'un gain de productivité et une économie de temps car l'impression 3D permet aux produits d'accéder aux marchés beaucoup plus rapidement et facilement. L'impression 3D peut aussi être utilisée pour la fabrication d'outillage. Il est possible d'utiliser cette technologie comme moule pour ensuite réaliser une série de produits à moindres coûts. L'imprimante peut donc produire ses propres outils, gabarits et systèmes de fixation. Advenant un bris du système, la pièce manquante pourra être imprimée dans un court délai.

Perte d'exploitation

L'impression 3D demande plus d’énergie que la fabrication traditionnelle. Si une interruption de courant survient, il est possible de que les générateurs de secours ne soient pas en mesure d’assister le processus, ce qui peut avoir pour résultat une interruption de la production. Ainsi, la chaîne d’approvisionnement pourrait être un risque supplémentaire si elle n'est pas évaluée de manière approfondie.

Les risques de contrefaçon

Les fabricants trouvent de nombreuses applications au processus d’impression 3D, ce qui peux mener une augmente des risques de contrefaçon encourus lors de la production de leur concept. En effet, il est facile de recréer certain objet vendu sur le marché pour son usage personnel ou pour en faire le commerce ce qui nuit grandement au concepteur initiale de celui-ci. Par contre, l’impression en 3D est une bonne solution pour les pièces de rechange des produits en fin de cycle de vie. Par exemple, les pièces imprimées en 3D peuvent prolonger de 20 ans et plus la vie des automobiles ou du matériel agricole.

Références

Bibliographie et banque de ressources

Glossaire

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Références
  1. Petit historique de l'impression 3D, [1], sur Serial maker. Consulté le 15 février 2016.
  2. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  3. Berchon, Mathilde, and Bertier Luyt. (2013) L’impression 3D. Paris: Eyrolles.
  4. http://www.esa.int/fre/ESA_in_your_country/France/Construire_une_base_lunaire_en_impression_3D.
  5. Impression 3D dans l'espace : succès de la première mission européenne, [2], sur Thalesgoup. Consulté le 18 février 2016.
  6. Impression 3D : perspectives et enjeux, [3], sur heinrich consultant. Consulté le 18 février 2016.