Résumé

Une nouvelle révolution industrielle ?

L’impression 3D, qui permet de créer des objets par superposition de fines couches de matière, est une technologie en plein essor. Longtemps réservée aux industries de pointe, elle s’est récemment démocratisée avec l’arrivée sur le marché d’imprimantes moins onéreuses et plus rapides, ainsi qu’un choix plus varié de matériaux imprimables. Ce premier ouvrage français sur le sujet en dresse un panorama complet, des différents procédés aux types de machines, des multiples champs d’application (design, architecture, médecine, agroalimentaire…) aux conseils pratiques pour les particuliers. Il explique pourquoi ce nouveau mode de fabrication risque d’avoir un formidable impact sur notre société, en remettant en cause toute la chaîne de production traditionnelle.

À qui s’adresse ce livre ?

À tous les makers, bricoleurs, bidouilleurs, geeks, designers, artistes, inventeurs…

Aux particuliers ou aux décideurs souhaitant utiliser l’impression 3D dans leur quotidien ou leur entreprise

Au sommaire

Qu’est-ce que l’impression 3D ? • L’impression 3D en bref • Les différents procédés • Les types d’imprimantes 3D • Les matériaux d’impression 3D • L’impression 3D en pratique • La phase de modélisation et de préparation • La phase d’impression • La phase de finition • Applications et perspectives • L’impression 3D pour les particuliers • L’impression 3D pour les entreprises • La troisième révolution industrielle ?

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Biographie auteur

Mathilde Berchon est consultante spécialisée en impression 3D et open hardware. Elle a en particulier collaboré avec Sculpteo, service français d’impression 3D en ligne, et CKAB, distributeur d’imprimantes 3D personnelles. Vivant à San Francisco, elle y anime le site et podcast MakingSociety, dédié aux makers entrepreneurs.
www.makingsociety.com

Bertier Luyt est fondateur du FabShop, un atelier de modélisation 3D et de fabrication digitale, qui distribue en France les imprimantes MakerBot. Expert 3D, il a notamment coordonné la modélisation du château de Versailles pour Google.
www.lefabshop.fr

www.editions-eyrolles.com

Mathilde Berchon

Avec la collaboration de Bertier Luyt

Préface de Joël de Rosnay

L’impression 3D

Attention : la version originale de cet ebook est en couleur, lire ce livre numérique sur un support de lecture noir et blanc peut en réduire la pertinence et la compréhension.

En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans autorisation de l’éditeur ou du Centre Français d’Exploitation du Droit de Copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris.

Éditions Eyrolles

61 bd Saint-Germain

75240 Paris Cedex 05

www.editions-eyrolles.com

© Groupe Eyrolles, 2013
ISBN : 978-2-212-13522-0

PRÉFACE

SURFER LA GRANDE VAGUE MONDIALE DE L’IMPRESSION 3D

L’industrie classique transforme la matière en utilisant de l’énergie et de l’information. Elle est symbolisée par l’usine centralisée et les grandes entreprises capables de produire en masse des automobiles, des avions, des biens de consommation, des robots ménagers, des appareils électroniques ou encore des ordinateurs. La nouvelle industrie en train de naître s’inspire de celle établie sur Internet et les réseaux numériques : la transformation de l’information conduisant à l’explosion du Web 2.0 et aux contenus générés par les utilisateurs. Cette nouvelle vague de production industrielle sculpte la matière, grâce à de l’information et de l’énergie, pour fabriquer des quantités d’objets divers et personnalisés. Comme le disait très justement Nicolas Negroponte, ancien directeur du MIT Media Lab, la révolution Internet a contribué, avec la numérisation, à «transformer des atomes en bits». Aujourd’hui, il devient possible de retransformer des bits en atomes, c’est-à-dire en objets physiques, chez soi, dans son atelier de bricolage ou dans une PME, grâce aux imprimantes 3D et aux machines de prototypage rapide. Ce mouvement a été prédit en France dès 2006 : «Les pronétaires ne vont pas se contenter de fabriquer des produits numériques (textes, musique, vidéos, jeux, etc.). D’étonnants outils leur donnent désormais la possibilité de fabriquer des objets physiques à partir d’imprimantes 3D.¹» «Une nouvelle révolution industrielle est en train de naître sous nos yeux avec l’irruption de ce que l’on pourrait appeler les MUP (Micro-Usines Personnalisées).²»

La nouvelle vague qui déferle actuellement sur le monde conduit à un mouvement qui s’amplifie, typique de la «société fluide» naissante : c’est le Maker Movement³. Autrement dit, un mouvement d’artisans, de bricoleurs et de «hobbyistes» qui créent, produisent et partagent des objets grâce à des outils accessibles : scanners, machines à découper, fraiseuses laser, imprimantes 3D… Un maker, traduit en français, est un «faiseur», un mot souvent interprété de manière péjorative. On pourrait donc franciser le terme de maker en créant le néologisme «doueur». En anglais, un doer (prononcez «doueur»), du verbe to do (faire), est une personne qui agit, qui propose de nouveaux concepts, une théorie, des stratégies. Un doueur (ou une doueuse) est donc à la fois un fabricant, un artisan et un bricoleur qui invente, fabrique, échange et même vend des objets physiques provenant de créations personnelles ou collectives.

Le mouvement des doueurs, couplé à la baisse des prix des imprimantes 3D, va avoir une très grande portée mondiale. Les nouveaux artisans du numérique 3D, des TPE et des PME vont progressivement remplacer la culture de la consommation et du gaspillage par une culture de la création, de l’innovation et de la production décentralisée. Ce mouvement débouche aussi sur de nouvelles formes d’éducation, les «travaux pratiques» de nos écoles, lycées et universités faisant place à de la coéducation dans des ateliers ouverts à tous (hackerspaces, makerspaces, Fab Labs), qui se sont créés dans le monde entier en l’espace de quelques années. Un mouvement qui prend une ampleur considérable avec Facebook et Twitter, par l’échange en P2P, grâce au crowdsourcing et au crowdfunding.

Évidemment, l’avènement de ces MUP n’ira pas sans créer de graves difficultés industrielles, économiques et même juridiques. Nous allons sans doute connaître les mêmes problèmes liés aux droits d’auteur que ceux que l’on observe aujourd’hui pour la musique ou les textes imprimés, mais cette fois pour des objets sous «marques déposées». Par ailleurs, de nouveaux conflits vont éclater entre les grands producteurs d’objets standardisés destinés à des consommateurs de masse, et des pronétaires, des micro-TPE ou des associations, capables de fabriquer des objets jusqu’alors produits en série dans des usines centralisées. Et que dire des applications issues des nanotechnologies, telles que les imprimantes moléculaires ou cellulaires ? Aujourd’hui, des bio-imprimantes 3D fabriquent en effet des tissus vivants, et même des organes implantables chez l’homme. Entre les mains de particuliers et sans contrôle, ces systèmes pourraient être détournés afin de fabriquer des drogues, des armes nanotechnologiques, voire des agents capables de modifier l’environnement.

D’où l’importance de l’information, de l’évaluation, du débat public et politique, en même tant qu’industriel et culturel, proposés par ce livre, annonciateur d’une révolution que le monde industriel n’avait peut-être pas connue depuis la machine à vapeur, les machines-outils à commande numérique ou les robots. Cet ouvrage prédit la naissance d’une démocratie industrielle : le «faites-le vous-mêmes» à la portée de tous, de groupes, de réseaux sociaux et même d’industries classiques si elles apprennent à surfer la grande vague mondiale de l’impression 3D.

Joël de Rosnay

Conseiller de la présidente d’Universcience
Président exécutif de Biotics International
Auteur du livre Surfer la vie, 2012

____________

1. Joël de Rosnay, avec la collaboration de Carlo Revelli, La Révolte du pronétariat. Des mass média aux média des masses, Fayard, 2006.

2. Joël de Rosnay, «Comment imprimer des objets chez soi. Après les TIC, voici les MUP !», lemonde.fr, 9 novembre...

REMERCIEMENTS

Je remercie l’équipe de Sculpteo, et tout particulièrement Clément Moreau et Marine Coré-Baillais, ainsi qu’Oliver Tate et Benjamin Renaud de l’entreprise Work and Progress, pour leur relecture attentive et leurs conseils avisés. Je remercie également Joël de Rosnay pour avoir accepté de préfacer cet ouvrage, ainsi que Bertier Luyt, fondateur de l’entreprise Le FabShop, pour avoir rédigé le chapitre sur la modélisation. Je souhaiterais aussi remercier chaleureusement mon éditeur Antoine Derouin pour son suivi attentif et son soutien tout au long de l’écriture de ce livre. Un grand merci enfin à Jacques, Béatrice, Claire, ainsi qu’à Colin pour leurs encouragements précieux, d’un bout à l’autre de l’Atlantique.

TABLE DES MATIÈRES

PARTIE 1

QU’EST-CE QUE L’IMPRESSION 3D ?

Chapitre 1. L’IMPRESSION 3D EN BREF

Un procédé par ajout de matière

Petit historique

Que peut réaliser l’impression 3D ?

Des formes géométriques complexes et imbriquées

Des pièces mécaniques d’un seul tenant

Des objets uniques très travaillés

Des pièces d’avions ou de voitures

Des organes humains

Les matériaux utilisés

Les plastiques

Les métaux

La céramique

Les autres matériaux

Que va changer l’impression 3D ?

Rendre la fabrication accessible à tous

Fabriquer des objets sans assemblage

Réduire les coûts de production

Réaliser des pièces uniques à la demande

Imaginer les objets de demain

Chapitre 2. LES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS

Les principes de base

Une technique de fabrication additive

Un procédé à commande numérique

Pas d’impression 3D sans fichier 3D

L’impression 3D par photopolymérisation

La stéréolithographie

Le procédé DLP

La technologie PolyJet

La 2PP : l’impression 3D à échelle nanoscopique

L’impression 3D par liage de poudre

Le frittage laser

Le procédé E-Beam

La technique 3DP

Les techniques à jet d’encre

L’impression 3D par dépôt de matière fondue

La technique FDM

Avantages et limites

L’impression 3D par encollage de papier

En résumé

Chapitre 3. LES TYPES D’IMPRIMANTES 3D

Les critères de choix d’une imprimante 3D

Les imprimantes 3D personnelles

RepRap, l’imprimante qui s’imprime elle-même

Anatomie d’une imprimante personnelle issue d’une REPRAP

Fab@Home

MakerBot Industries

Ultimaker

Solidoodle

Printrbot jr

Mojo par Stratasys

Cube par 3D Systems

FormLabs

Et toutes les autres...

Les imprimantes professionnelles

La ProJet 1500 de 3D Systems

Les Objet24 et Objet30 d’Objet

Les uPrint SE de Stratasys

La Perfactory P3 Mini Multi Lens d’EnvisionTEC

Les imprimantes 3D de production

La P380 d’EOS

La gamme Objet Connex

La série Fortus de Stratasys

Les imprimantes grand format

Les imprimantes de dentisterie

Les imprimantes de bijouterie

Les imprimantes de métal

Chapitre 4. LES MATÉRIAUX D’IMPRESSION 3D

Les plastiques

Les ABS et simili-ABS

Le PLA

Les polyamides

Les plastiques composites multicolores

Les plastiques transparents

Les plastiques résistant à la chaleur

Les plastiques flexibles et les caoutchoucs

Le polypropylène et les simili-polypropylènes

L’alumide

Les métaux

L’aluminium et ses alliages

Le cobalt-chrome et ses alliages

L’acier inoxydable

L’acier d’outillage maraging

Le titane et ses alliages

Les métaux précieux

Céramiques, sables et bétons

Les matériaux organiques

Les cires

Les matières alimentaires

Les tissus biologiques

Les nanomatériaux

Vers des matériaux d’impression 4D ?

PARTIE 2

L’IMPRESSION 3D EN PRATIQUE

Chapitre 5. LA PHASE DE MODÉLISATION ET DE PRÉPARATION

Création ou récupération d’un modèle 3D

La modélisation 3D

L’acquisition par scan 3D

L’utilisation d’un fichier 3D existant

Exportation au format STL

Réparation et préparation du fichier STL

Conseils et astuces

Les solutions logicielles

Les solutions en ligne

Tranchage du fichier STL

Résolution, densité et épaisseur

Raft et support

Les logiciels de tranchage

Exportation pour l’impression

Chapitre 6. LA PHASE D’IMPRESSION

Le choix du matériau

Caractéristiques d’un matériau

Quel matériau pour quel objet ?

Réaliser une impression

Le logiciel de contrôle d’impression

Préparer l’imprimante

Lancer l’impression

Optimiser l’impression

Optimiser les coûts

Optimiser la qualité de la pièce

Optimiser le temps d’impression

Chapitre 7. LA PHASE DE FINITION

Le nettoyage de la pièce

La solidification de la pièce

La préparation de la pièce

Le ponçage

Le masticage

Le dépôt d’apprêt de charge

La finition de la pièce

La peinture

Les autres finitions

Le vieillissement de la pièce

PARTIE 3

APPLICATIONS ET PERSPECTIVES

Chapitre 8. L’IMPRESSION 3D POUR LES PARTICULIERS

Comment imprimer en 3D ?

Les imprimantes 3D personnelles

Les services en ligne

Les lieux de fabrication

Quels objets imprimer en 3D ?

Des objets personnels

Des objets utiles

Des objets réparés ou améliorés

Des objets ouverts et modifiables

Comment se procurer des fichiers 3D d’objets ?

Un accès facilité à la création 3D

Les sites de partage de modèles 3D

Qu’entreprendre à l’aide de l’impression 3D ?

Présenter ou monétiser ses créations

Proposer son service d’impression 3D à la maison

Commercialiser son modèle d’imprimante 3D

Lancer une campagne de financement collaboratif

Qu’a-t-on le droit d’imprimer en 3D ?

Cas d’une création originale

Cas d’une copie

En conclusion : créez !

Chapitre 9. L’IMPRESSION 3D POUR LES ENTREPRISES

Architecture

Art et design

Cinéma

Mode

Bijouterie

Enseignement et recherche scientifique

Industrie lourde

Aérospatiale

Automobile

Défense

Électronique

Agroalimentaire

Santé

Prothèses et aides auditives

Tissus humains, organes, implants et médicaments

Chapitre 10. LA TROISIÈME RÉVOLUTION INDUSTRIELLE ?

Vers la customisation de masse

Des objets cocréés avec l’utilisateur final

Une meilleure adaptabilité aux souhaits du consommateur

Une chaîne de production bouleversée

L’impression 3D dans les nuages…

…ou à la maison

Relocalisation et réindustrialisation

Écologie et développement durable

Des objets au design optimisé

Des pertes de matière minimes

La question du recyclage

Oui, mais…

Une fabrication encore trop lente

Des matériaux chers et peu variés

Des formes difficilement reproductibles et parfois instables

Pas toujours de contrôle qualité

Conclusion

Annexe A. RESSOURCES UTILES

Distributeurs d’imprimantes 3D en France

Imprimantes 3D personnelles

Imprimantes 3D professionnelles

Lieux de fabrication numérique en France

Services d’impression 3D en France

Annexe B. GLOSSAIRE

Index

QU’EST-CE QUE L’IMPRESSION 3D ?

D’où vient l’impression 3D et comment fonctionne-t-elle ? Avec quelles machines et quels matériaux peut-on imprimer ? Cette première partie pose les bases de ce nouveau procédé, pas si nouveau d’ailleurs…

CHAPITRE 1

L’IMPRESSION 3D EN BREF

« Troisième révolution industrielle » pour The Economist, technologie « plus importante que le Web » pour l’ancien rédacteur en chef de Wired, Chris Anderson, une croissance de 46,3 % des ventes d’imprimantes 3D personnelles en 2012 selon le Wohlers Report…, l’impression 3D semble promise à un bel avenir.

Mais d’où vient-elle ? Est-ce une technique nouvelle, comme le laisse penser l’engouement récent des médias ? En quoi diffère-t-elle des modes traditionnels de fabrication ? Quelles sont ses applications aujourd’hui et que va-t-elle changer demain ? Dans ce premier chapitre, nous allons dresser un bref état des lieux de l’impression 3D, en remontant à ses origines.

Un procédé par ajout de matière

Jusqu’à peu, tous les objets étaient fabriqués selon trois grandes techniques : en soustrayant peu à peu la matière jusqu’à former la pièce (sculpture, découpe, fraisage, forage…), en combinant plusieurs matériaux (tissage, collage…) ou en déformant la matière pour lui donner la forme souhaitée (moulage, pliage…). La fabrication d’un objet combinait en général ces trois procédés, ce qui nécessitait le recours à de nombreux outils et l’emploi de différents matériaux.

Avec l’impression 3D, c’est totalement différent puisque la pièce est créée en un seul passage, couche après couche, au rythme moyen d’un à deux centimètres de hauteur par heure. Cet objet peut même comporter des mécanismes internes (comme un roulement à billes), des formes tissées et entrelacées, ou encore des creux et des courbes.

S’il existe de nombreux procédés d’impression 3D, ils ont tous pour point commun de réaliser un objet l’une couche après l’autre. Cette technique relève de la fabrication dite « additive », car elle fonctionne par ajout de matière : l’objet prend forme au fur et à mesure de la solidification des couches.

Étapes de l’impression 3D d’une hélice. (Source : Stratasys via CSC)

L’impression 3D est réalisée grâce à une imprimante 3D. Cette machine, qui peut être de taille et d’aspect très divers, est toujours associée à plusieurs logiciels informatiques, qui sont d’une grande importance dans le processus puisqu’ils permettent de préparer le fichier 3D...

CHAPITRE 2

LES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS

Il n’existe pas une seule technique d’impression 3D, mais plusieurs en réalité, qui comportent chacune de nombreuses variantes. Elles ne nécessitent ni les mêmes équipements, ni les mêmes matériaux, et donnent des résultats sensiblement différents.

Ces procédés peuvent être classés grosso modo en trois grandes familles : les techniques basées sur la photopolymérisation (un matériau liquide est solidifié grâce à la lumière), celles fonctionnant par liage de poudre (un liant vient encoller des particules) et celles fonctionnant par dépôt progressif de matière.

Les principes de base

Avant d’expliquer le fonctionnement de ces différentes techniques, il convient de rappeler quelques principes de base qui sous-tendent toute impression 3D.

UNE TECHNIQUE DE FABRICATION ADDITIVE

L’impression 3D fonctionne toujours par ajout de matière, et non par soustraction comme la plupart des techniques traditionnelles de fabrication (fraisage, découpe…). Toutes les imprimantes 3D construisent l’objet en travaillant la matière couche après couche, selon le tracé indiqué par l’ordinateur relié à la machine. Ce qui varie d’un procédé à l’autre, c’est généralement la façon dont les couches sont créées.

UN PROCÉDÉ À COMMANDE NUMÉRIQUE

L’impression 3D est rendue possible grâce à une imprimante 3D. Cette machine, qui peut être de taille et d’aspect très divers, est toujours reliée à un ordinateur. Elle va de pair avec un ensemble de logiciels informatiques, qui permettent de préparer le fichier 3D pour l’impression et de positionner la pièce dans l’imprimante. Le processeur et le firmware présents dans l’imprimante reçoivent ensuite ces données et contrôlent toute la phase d’impression.

PAS D’IMPRESSION 3D SANS FICHIER 3D

Le fichier 3D est le prérequis indispensable à toute impression 3D : pour imprimer un objet, il faut son modèle 3D. Celui-ci doit être créé à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D ou généré à partir d’un scanner 3D (voir page 84), à moins qu’il existe déjà sur Internet, sur un site de partage de fichiers comme Thingiverse.

N’importe quel modeleur 3D peut convenir pour créer un fichier utilisable par une imprimante 3D. Certains sont simples d’emploi (SketchUp, Tinkercad, Autodesk 123D, 3DTin), tandis que d’autres sont mieux adaptés aux particularités de l’impression 3D (OpenSCAD, FreeCAD, Blender). Mais dans tous les cas, le format final de ce fichier doit être du STL, le seul accepté actuellement par toutes les imprimantes 3D (voir page 87).

À ce jour, une imprimante 3D ne peut donc en aucun cas fabriquer un objet à partir d’un simple croquis ou d’une illustration en 2D.

À gauche, fichier 3D d’une boule de Noël, mis à disposition par l’utilisateur pmoews sur le site Thingiverse.com. À droite, boules de Noël imprimées en 3D à partir de ce fichier.
(Source : pmoews)

L’impression 3D par photopolymérisation

La photopolymérisation est un procédé d’impression 3D qui utilise des polymères liquides capables de se solidifier à la lumière. Elle est à la base de la plus ancienne technique d’impression 3D, la stéréolithographie. Elle est aussi employée dans les technologies DLP (Digital Light Processing) et PolyJet.

LA STÉRÉOLITHOGRAPHIE

Solidification d’un liquide par rayon...

CHAPITRE 3

LES TYPES D’IMPRIMANTES 3D

À l’heure actuelle, il existe toutes sortes d’imprimantes 3D, allant d’une centaine d’euros au demi-million, avec des propriétés et des usages très divers. Elles peuvent être réparties principalement en trois grandes familles : les imprimantes 3D personnelles, qui s’adressent aux particuliers souhaitant fabriquer chez eux leurs propres pièces ; les imprimantes 3D professionnelles, plus chères, qui sont utilisées en entreprise pour prototyper et produire en série limitée ; enfin, les imprimantes 3D de production, employées dans l’industrie pour réaliser des pièces fonctionnelles.

Quelques-unes des 70 imprimantes 3D présentées lors du Maker Faire 2012 à San Mateo, Californie (19 et 20 mai 2012). (Source : Shawn Wallace, Make Magazine)

Les critères de choix d’une imprimante 3D

De nombreux critères sont à prendre en compte pour déterminer le modèle le mieux adapté à ses besoins et se repérer au sein de ce marché très évolutif. En voici les principaux.

  La technique utilisée. Comme nous l’avons vu au chapitre précédent, chaque technique d’impression possède ses particularités de rendu et diffère par ses applications.

  La précision de l’impression. D’une imprimante à l’autre, la finesse des détails et l’épaisseur de couche sont très variables.

  Les matériaux. À chaque modèle d’imprimante correspond une certaine gamme de matériaux, qui diffèrent par leur type (plastiques, céramiques, métaux…), leurs propriétés physiques (matériaux souples, durs, transparents…) et leurs coloris. Il convient donc de bien identifier ceux qui sont compatibles avec la machine choisie, afin d’éviter toute mauvaise surprise après l’achat de l’imprimante.

  La taille maximale d’impression. Le plateau d’impression peut aller de quelques centimètres à plusieurs mètres.

  Le coût de revient. Il est très variable, allant d’une centaine d’euros pour une imprimante open source en kit à monter soi-même à 500 000 € pour certains modèles spécifiques imprimant du métal. Le prix de la machine doit être corrélé au coût du matériau, qui peut être lui aussi important.

  L’installation et la mise en service. Le temps d’installation et les besoins spécifiques à chaque imprimante (chambre d’aération, alimentation électrique puissante) jouent aussi un rôle dans le choix du modèle. Les imprimantes 3D nécessitent trois types de branchements : une alimentation électrique, une prise réseau (câble Ethernet) et la connexion à un ordinateur. Dans certains cas, des systèmes de refroidissement ou de nettoyage sont également nécessaires.

Caractéristiques d’une imprimante 3D

Avant de faire l’acquisition d’une imprimante, il est important d’obtenir un relevé complet de ses caractéristiques, qui figurent généralement sur les spécificités techniques fournies par le constructeur. En particulier, il faut noter :

• la taille hors emballage. Toujours indiquée en longueur × largeur × hauteur, elle donne une idée de l’encombrement de la machine, à condition de tenir compte de la hauteur de son couvercle et de son système de réapprovisionnement des matériaux (porte à ouvrir à l’avant, tiroir latéral à coulisser). Certaines imprimantes comme les ZPrinter ont été conçues afin de pouvoir passer par une porte standard de bureau ;

• la taille avec emballage. Elle importe pour des questions de livraison et de logistique ;

• le poids à vide. Il s’agit du poids de l’imprimante sans son matériau d’impression ;

• le poids à plein. Il est à anticiper, surtout pour les imprimantes de bureau posées sur une table ou un autre support ;

• le poids des cartouches de matériau. Une cartouche pèse en moyenne un kilo, voire un peu plus.

Les imprimantes 3D personnelles

Longtemps utilisées exclusivement par les industriels, les imprimantes 3D sont restées quasi inconnues du grand public pendant les vingt années qui ont suivi le lancement du premier modèle à stéréolithographie par 3D Systems en 1986. Mais l’arrivée du projet RepRap (Replicating Rapid Prototyper), une imprimante autoréplicante, a permis d’amorcer un mouvement d’ouverture sans précédent. Les imprimantes 3D personnelles étaient nées.

Aujourd’hui, leur marché est très fragmenté, dominé par la société MakerBot, même si un nombre grandissant d’acteurs indépendants proposent des imprimantes personnelles commerciales, rejoints depuis peu par les grands noms du secteur. À l’heure actuelle, les machines les plus...

CHAPITRE 4

LES MATÉRIAUX D’IMPRESSION 3D

Les principaux matériaux utilisés actuellement en impression 3D se répartissent en deux grandes familles, les plastiques et les métaux, auxquels viennent s’ajouter les céramiques et les matériaux organiques. Bien entendu, ils ne sont pas compatibles avec toutes les techniques d’impression 3D.

Le procédé de frittage laser imprime à partir de poudre. C’est l’une des technologies de fabrication additive qui offre la plus grande diversité de matières premières : poudre de nylon, de métal (titane, acier inoxydable, acier d’outillage maraging) et de céramique.

Les techniques EBM et EBFM sont spécialisées dans la fabrication de pièces en métal, tandis que la stéréolithographie utilise des polymères liquides, généralement des plastiques aux propriétés mécaniques variées.

Les imprimantes personnelles impriment essentiellement à partir de deux types de plastiques : l’ABS et le PLA. Mais certains modèles à dépôt de filament fondu (FDM) peuvent aussi accepter des matières alimentaires : chocolat, fromage, glaçage au sucre, entre autres. La technologie FDM est également employée pour l’impression en béton.

Principaux matériaux d’impression 3D. (Source : Econolyst)

Les constructeurs ont déposé des brevets par technologie et machine, mais aussi pour les composants compatibles avec ces imprimantes. Chaque fabricant possède donc sa propre gamme de matériaux imprimables. Objet a ainsi développé une ligne de 51 Digital Materials et 14 cartouches prêtes à l’emploi pour ses machines (technologie PolyJet). Z Corporation propose ses propres matériaux composites, compatibles uniquement avec les imprimantes ZPrinter (technologie 3DP). Les machines ProJet acceptent seulement la ligne de matériaux VisiJet, commercialisée par 3D Systems, aussi à l’origine de la gamme Accura SLA, RenShape SLA (pour ses machines à stéréolithographie) et DuraForm SLS (pour ses imprimantes à frittage laser).

Voici un panorama des principaux matériaux existants, en fonction des propriétés et usages recherchés pour les pièces à fabriquer.

Les plastiques

Très employés par l’impression 3D, les plastiques sont des polymères qui peuvent être mis en forme sous l’effet de la chaleur, comme l’ABS et le PLA, ou de la lumière, comme les résines et les polyamides.

LES ABS ET SIMILI-ABS

Appartenant à la famille des thermoplastiques, l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène) est l’un des matériaux les plus populaires de l’impression 3D. Utilisé par toutes les imprimantes personnelles (MakerBot, Ultimaker, Bits from Bytes, UP!, Solidoodle…), il constitue aussi le composant de base du constructeur Stratasys. Il sert aussi à imprimer le Stanford Bunny, un modèle de test d’imprimante 3D open source.

Fondant entre 200 et 250 °C, l’ABS peut supporter des températures relativement basses (jusqu’à –20 °C) et élevées (80 °C). Lorsqu’il est imprimé par la technique du dépôt de filament fondu, il nécessite l’utilisation d’un plateau d’impression chauffant (entre 90 et 105 °C). Contrairement au PLA, il n’est pas biodégradable. Il résiste bien aux chocs grâce à la structure élastomère du polybutadiène et offre un très beau rendu, avec une surface lisse et brillante.

Il existe en réalité de nombreux types d’ABS, aux propriétés multiples, dont le conditionnement diffère selon la technologie d’impression 3D associée. Les imprimantes personnelles à dépôt de filament fondu (FDM) l’emploient généralement en bobines de filament d’1,75 mm ou de 3 mm de diamètre, aux couleurs variées. Des simili-ABS sont aussi utilisés en stéréolithographie, sous forme de polymères liquides, mais également par la technologie PolyJet mise au point par Objet.

L’ABS est déjà très courant dans les objets qui nous entourent : appareils électroménagers, téléphones, ordinateurs, jouets… Les célèbres briques...

L’IMPRESSION 3D EN PRATIQUE

Comment se déroule concrètement l’impression d’un objet ? De quels éléments a-t-on besoin ? Pour celui qui souhaite se lancer dans l’aventure, cette deuxième partie fourmille de conseils pratiques : astuces de modélisation, choix du matériau, paramétrage de l’imprimante…

CHAPITRE 5

LA PHASE DE MODÉLISATION ET DE PRÉPARATION

Pour convertir une idée en un fichier prêt à être imprimé en 3D, plusieurs étapes sont nécessaires :

  création ou récupération d’un modèle 3D ;

  exportation au format STL ;

  réparation et préparation du fichier ;

  tranchage du fichier STL et exportation vers l’imprimante.

Pour cela, il existe un large éventail de logiciels plus ou moins complexes, adaptés aux différents profils d’utilisateurs et aux divers procédés d’impression.

Exemple d’un modèle 3D. (Source : Le FabShop)

Création ou récupération d’un modèle 3D

Sauf exception, il est impossible de lancer l’impression d’un objet sans son fichier 3D. Modèle virtuel de la pièce à imprimer, ce fichier est constitué d’un ensemble de sommets, d’arêtes et de faces, appelées triangles ou polygones : plus les triangles sont grands, moins il y a de détails et plus les formes sont simples. Il peut être créé à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D, généré à partir d’un scanner 3D, ou encore récupéré sur un site web de partage de fichiers 3D.

LA MODÉLISATION 3D

Il existe un large choix de logiciels de modélisation 3D, qui possèdent chacun leurs spécificités, selon le domaine auquel ils s’adressent : mécanique, ingénierie, architecture, décoration, design, animation, jeux vidéo… Parmi les plus connus, on peut citer 3ds Max, AutoCAD 3D, Blender, CATIA, Cinema 4D, Maya, Revit, Rhinoceros, SolidWorks, Solid Edge, SketchUp ou encore ZBrush, ce qui sous-entend autant de formats différents.

Modeleurs volumiques et surfaciques

On distingue principalement deux grandes familles de modeleurs 3D, les modeleurs volumiques et les modeleurs surfaciques, tous deux très utilisés en impression 3D. Les premiers définissent les objets en utilisant des formes primaires (cube, sphère, cylindre…) appelées solides. Généralement employés pour la modélisation 3D de pièces mécaniques, ils permettent des opérations d’addition et de soustraction de matière virtuelle. Les modeleurs volumiques les plus connus sont SolidWorks et Solid Edge.

Dentelle, un modèle d’abat-jour conçu dans SolidWorks par le designer Samuel Bernier et imprimable en 3D. (Source : Samuel Bernier)

Avec les modeleurs surfaciques, c’est l’enveloppe de l’objet qui est définie mathématiquement. On les emploie notamment pour les formes organiques, la sculpture digitale, le design… ZBrush, Rhinoceros et SketchUp sont parmi les modeleurs surfaciques les plus populaires.

Mais les différences entre ces deux types de modeleurs tendent à...

CHAPITRE 7

LA PHASE DE FINITION

Après son impression, un objet nécessite généralement de subir un certain nombre de traitements (nettoyage, solidification, préparation, finition…), qui demandent minutie, patience et dextérité. Il est probable cependant que les premières tentatives ne fournissent pas un résultat parfait : aussi faudra-t-il se garder la possibilité d’imprimer la pièce plusieurs fois afin de déterminer la meilleure méthode de finition.

Avant d’entamer ces différents traitements, il conviendra de prendre quelques précautions élémentaires car les produits utilisés peuvent être toxiques et irritants. Il est ainsi vivement conseillé de s’équiper de gants et d’un masque, mais également de protéger ses vêtements car, selon la technique de finition choisie, le procédé peut être salissant (sprays, résidus, poussières…). L’idéal est de pouvoir s’installer dans une pièce dédiée, propre et bien ventilée, voire dehors si c’est possible.

Ce chapitre se focalise tout particulièrement sur le traitement des trois matériaux d’impression 3D les plus populaires : le polyamide, l’ABS et la résine.

Le nettoyage de la pièce

Une fois sorties de l’imprimante, les pièces auront besoin d’un nettoyage, qui diffère selon le procédé d’impression utilisé. Certaines nécessiteront uniquement un dépoussiérage, d’autres également une infiltration (phase de solidification).

Le dépoussiérage est incontournable pour toutes les impressions à base de poudre qui sont réalisées par la technique de frittage laser. En effet, les pièces obtenues doivent être libérées du matériaux poudreux qui n’a pas été utilisé pour leur fabrication. En règle générale, ce travail s’effectue manuellement à l’aide d’une brosse appropriée.

Toutefois, certaines imprimantes, comme les machines ZPrinter de Z Corporation, sont équipées d’un dispositif de nettoyage qui permet de faciliter grandement la tâche. L’utilisateur passe alors ses mains dans des gants intégrés à l’imprimante et peut nettoyer la pièce à travers une vitre, en limitant de cette manière toute exposition à la poudre et toute dispersion de matière.

Pièces fraîchement sorties de leur bac d’impression. (Source : Sculpteo)

Le nettoyage est également indispensable pour les impressions de métal. S’apparentant à une farine lourde, la poudre de métal (l’acier inoxydable, par...

APPLICATIONS ET PERSPECTIVES

L’impression semble promise à un bel avenir, en fournissant de multiples applications aux particuliers et aux entreprises. Elle risque même de bouleverser complètement notre système de production actuel : la troisième révolution industrielle est en marche…