Comment fonctionne une imprimante 3D et à quoi elle sert

L'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, est définie comme un processus dans lequel un fichier numérique est utilisé pour créer un objet solide en trois dimensions. Dans le processus d'impression 3D, des couches séquentielles de matériau sont déposées par « l'imprimante » jusqu'à ce que la création de l'objet soit terminée. Cet article couvre le fonctionnement, les logiciels et les applications de l'impression 3D.

L'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, est un processus dans lequel un fichier numérique est utilisé pour créer un objet solide en trois dimensions. Dans le processus d'impression 3D, des couches séquentielles de matériau sont déposées par « l'imprimante 3D » jusqu'à ce que la création de l'objet soit terminée.

Les objets imprimés en 3D sont créés par un processus additif, où l'imprimante place couche après couche de matériau jusqu'à ce que la chose souhaitée soit « imprimée ». Chaque couche peut être considérée comme une coupe transversale finement découpée de l'article imprimé. Avec l'impression 3D, les utilisateurs peuvent produire des formes compliquées sans consommer autant de matériau que les méthodes de fabrication traditionnelles nécessitent.

Le style de fonctionnement de l'impression 3D est à l'opposé de la « fabrication soustractive », où le matériau est découpé ou évidé à l'aide d'un équipement tel qu'une fraiseuse. Inversement, la fabrication additive n'a pas besoin d'un moule ou d'un bloc de matériau pour créer des objets physiques. Au lieu de cela, il empile des couches de matériau et les fusionne.

L'impression 3D offre une création de produit rapide, de faibles dépenses pour l'infrastructure fixe initiale et la possibilité de créer des géométries complexes à l'aide de plusieurs types de matériaux, ce que les solutions de fabrication traditionnelles pourraient ne pas être capables de faire aussi efficacement.

Généralement associée à la culture Do It Yourself (DIY) des amateurs et des amateurs, l'impression 3D s'est développée pour inclure des applications commerciales et industrielles. Par exemple, les ingénieurs d'aujourd'hui utilisent souvent des imprimantes 3D pour le prototypage et la création d'objets géométriques légers.

Les origines de l'impression 3D résident dans le "prototypage rapide". Lorsque la technologie de base a été inventée pour la première fois dans les années 1980, le terme a été utilisé pour la décrire car, à l'époque, l'impression 3D ne convenait qu'à la création de prototypes plutôt qu'à des composants de production. En fait, l'intention initiale de sa création était simplement d'accélérer le développement de nouveaux produits grâce à un prototypage rapide.

Fait intéressant, la technologie n'a pas suscité beaucoup d'intérêt lorsqu'elle a été introduite pour la première fois. En 1981, le japonais Hideo Kodama a déposé le premier brevet pour une machine utilisant la lumière UV pour durcir les photopolymères. Trois ans plus tard, les inventeurs français Olivier de Witte, Jean Claude André et Alain Le Mehaute déposent conjointement un brevet pour une technologie similaire. Les deux brevets ont été abandonnés, General Electric affirmant que "ce dernier manquait de potentiel commercial notable".

C'est en 1984 que l'inventeur américain Charles Hull dépose un brevet pour un «Appareil de production d'objets tridimensionnels par stéréolithographie». Il invente le fichier STL et fonde 3D Systems trois ans plus tard, en 1987.

Au cours de la même décennie, des progrès significatifs ont été réalisés dans le domaine de l'impression 3D aux États-Unis, avec des brevets déposés pour le frittage sélectif par laser (SLS) et la modélisation par dépôt de fusion (FDM). Desktop Manufacturing (DTM) Corp. et Stratasys étaient des entreprises pionnières dans le domaine de l'impression 3D, fondées à peu près à la même époque.

Après cela, l'industrie s'est transformée à mesure que la commercialisation rapide s'en est emparée. Les premières "imprimantes 3D" étaient grandes et coûteuses, leurs fabricants étant en concurrence pour décrocher des contrats de prototypage industriel avec des fabricants automobiles, de biens de consommation, de produits de santé et aérospatiaux à grande échelle.

En 1987, 3D Systems avait introduit la première imprimante SLA de qualité commerciale; en 1992, Stratasys et DTM ont respectivement lancé les premières imprimantes commerciales FDM et SLS. La première imprimante 3D métal a été introduite en 1994 par Electro Optical Systems (EOS), une entreprise allemande.

À l'aube du nouveau millénaire, les entreprises du secteur de l'impression 3D se disputaient férocement les profits. Les progrès de la science des matériaux et la caducité de nombreux brevets ont rendu l'impression 3D plus abordable.

Bientôt, grâce aux progrès réalisés dans l'espace d'impression 3D, les processus de fabrication n'étaient plus la propriété exclusive d'entreprises soutenues par de la machinerie lourde et du capital. Aujourd'hui, l'impression 3D s'est transformée en une solution de pointe pour créer de nombreux types différents de composants de production.

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La norme ISO/ASTM 52900, relative aux principes généraux et à la terminologie de la fabrication additive, classe les processus d'impression 3D en sept groupes distincts. Chaque type d'impression 3D fonctionne un peu différemment.

Le temps nécessaire pour imprimer un objet 3D dépend du type d'impression, de la taille de sortie, du type de matériau, de la qualité souhaitée et de la configuration d'installation. L'impression 3D peut prendre de quelques minutes à quelques jours.

Les différents types d'impression 3D sont :

Dans la fusion sur lit de poudre (PBF), l'énergie thermique, sous la forme d'un faisceau d'électrons ou d'un laser, fusionne sélectivement des zones spécifiques d'un lit de poudre pour créer des couches. Ces couches sont construites les unes sur les autres jusqu'à ce qu'une pièce soit fabriquée.

Le PBF peut inclure des processus de frittage ou de fusion ; cependant, la méthode de fonctionnement principale reste la même. Tout d'abord, un rouleau ou une lame de revêtement dépose une fine couche de poudre sur la plate-forme de fabrication. Ensuite, la surface du lit de poudre est balayée à l'aide d'une source de chaleur. Cette source augmente sélectivement la température des particules pour lier des zones spécifiques.

Une fois que la source de chaleur a balayé une coupe transversale ou une couche, la plate-forme descend pour laisser le processus se répéter pour la couche suivante. La sortie finale est un volume avec des parties fusionnées, la poudre environnante restant inchangée. La plate-forme monte ensuite pour permettre la récupération de la construction terminée. La fusion sur lit de poudre comprend plusieurs méthodes d'impression standard, telles que le frittage sélectif par laser (SLS) et le frittage laser direct de métal (DMLS).

SLS est régulièrement mis à profit pour la fabrication de pièces en polymère pour des prototypes et des composants fonctionnels. L'impression SLS a lieu avec le lit de poudre comme seule structure de support. L'absence de structures de support supplémentaires permet la création de géométries complexes. Cependant, les pièces produites présentent souvent une porosité interne et une surface granuleuse et nécessitent généralement un post-traitement.

Le SLS est similaire à la fusion laser sélective (SLM), à la fusion sur lit de poudre par faisceau d'électrons (EBBPF) et au frittage laser direct de métal (DMLS). Cependant, ces procédés sont utilisés pour créer des pièces métalliques et reposent sur un laser pour fusionner des particules de poudre, une couche à la fois.

Le DMLS n'augmente la température des particules que jusqu'au point de fusion, où elles se combinent au niveau moléculaire. D'autre part, SLM fait fondre complètement les particules métalliques. Ces deux techniques sont gourmandes en chaleur et nécessitent donc des structures de support. Une fois le processus terminé, les structures de support sont retirées par usinage CNC ou manuellement. Les pièces sont ensuite traitées thermiquement pour traiter les contraintes résiduelles lors du post-traitement.

Ces techniques d'impression 3D métal créent des composants aux propriétés physiques de haute qualité, parfois même plus robustes que le métal de base utilisé. La finition de surface est souvent excellente également. En termes de matériau, ces techniques peuvent traiter des superalliages métalliques et des céramiques qui peuvent être difficilement utilisables dans d'autres procédés. Cependant, DMLS et SLM sont coûteux et le volume du système limite la taille de sortie.

La photopolymérisation VAT peut être divisée en deux méthodologies : le traitement numérique de la lumière (DLP) et la stéréolithographie (SLA). Ces deux processus créent des composants une couche à la fois en utilisant une source de lumière pour durcir sélectivement le matériau liquide (généralement de la résine) stocké dans une cuve.

DLP fonctionne en "flashant" une image de chaque couche complète sur la surface du liquide dans la cuve. D'autre part, SLA s'appuie sur une source UV ou un laser à point unique pour durcir le liquide. L'excès de résine doit être nettoyé de la sortie une fois l'impression terminée, après quoi l'article doit être exposé à la lumière pour améliorer encore sa résistance. Les structures de support, le cas échéant, devront être retirées après le traitement, et on peut continuer à traiter la pièce pour créer une finition de meilleure qualité.

Ces méthodes sont les mieux adaptées aux sorties nécessitant une précision dimensionnelle de haut niveau, car elles peuvent créer des éléments aux détails complexes avec une excellente finition. DLP et SLA sont donc bien adaptés à la production de prototypes.

Cependant, la sortie de ces méthodes est souvent fragile, ce qui les rend moins adaptées aux prototypes fonctionnels. La couleur et les propriétés mécaniques de ces pièces sont également susceptibles de se dégrader sous la lumière UV du soleil, les rendant impropres à une utilisation en extérieur. Enfin, des structures de support sont souvent nécessaires et peuvent laisser des imperfections, que l'on peut éliminer par post-traitement.

Le jet de liant fonctionne en déposant une fine couche de matériau en poudre, tel que du sable polymère, de la céramique ou du métal, sur la plate-forme de construction. Après cela, une tête d'impression dépose des gouttes d'adhésif pour lier ces particules. La pièce est donc construite couche par couche.

Les pièces métalliques doivent être frittées thermiquement ou infiltrées d'un métal à bas point de fusion, comme le bronze. Les pièces en céramique ou en polymère polychrome peuvent être saturées à l'aide d'un adhésif cyanoacrylate. Un post-traitement est généralement nécessaire pour terminer la sortie.

Le jet de liant a de nombreuses applications, notamment les moules en céramique à grande échelle, les prototypes en couleur et l'impression 3D sur métal.

Le jet de matière est conceptuellement similaire à l'impression à jet d'encre. Cependant, au lieu d'insérer de l'encre sur du papier, il utilise une ou plusieurs têtes d'impression pour déposer des couches de matière liquide. Chaque couche est durcie avant que la couche suivante ne soit produite. Bien que le jet de matériau repose sur des structures de support, il peut être créé à l'aide d'une substance soluble dans l'eau qui est lavable une fois le bâtiment terminé.

Ce processus très précis est bien adapté à la création de pièces en couleur à l'aide de différents types de matériaux. Cependant, cela coûte cher et le résultat a tendance à être cassant et dégradable.

Dans la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM), une buse chauffée est utilisée pour alimenter une bobine de filament vers une tête d'extrusion. La tête d'extrusion augmente la température du matériau, le ramollit avant de le placer dans des zones prédéterminées pour le refroidir. Une fois qu'une couche de matériau est créée, la plate-forme de construction descend et se prépare pour la prochaine couche à placer.

Ce processus, également connu sous le nom d'extrusion de matériaux, présente des délais d'exécution réduits et est rentable. Cependant, sa précision dimensionnelle est faible et une finition lisse nécessite souvent un post-traitement. La sortie n'est pas non plus bien adaptée aux applications critiques car elle a tendance à être anisotrope, c'est-à-dire plus faible dans une direction.

Le laminage de feuilles peut être classé en deux technologies : la fabrication additive par ultrasons (UAM) et la fabrication d'objets laminés (LOM). L'UAM a un faible besoin en énergie et en température et fonctionne en joignant des tôles minces à l'aide d'un soudage par ultrasons. Il fonctionne avec plusieurs métaux, dont l'acier inoxydable, le titane et l'aluminium. D'autre part, LOM place alternativement des couches de matériau et d'adhésif pour créer le résultat final.

Cette technique utilise un laser, un arc électrique, un faisceau d'électrons ou une autre forme d'énergie thermique focalisée pour faire fondre la poudre ou le fil d'alimentation lors de sa mise en place. Le processus se déroule horizontalement pour créer des calques, qui sont ensuite empilés verticalement pour la création de pièces. Il convient à différents types de matériaux, notamment la céramique, les polymères et les métaux.

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L'espace d'impression 3D dépend fortement des logiciels, avec des programmes requis pour tout, de la conception de la sortie et de sa découpe en code G au contrôle de l'imprimante 3D. Découvrons le meilleur logiciel d'impression 3D dans toutes les applications.

Cette solution de MatterHackers est un hôte d'imprimante, un trancheur et un logiciel de CAO tout-en-un pour les ordinateurs de bureau. Les utilisateurs peuvent créer de nouveaux modèles dans la section CAO et les découper. Une fois que le modèle est prêt à imprimer, MatterControl 2.0 peut être utilisé pour surveiller et contrôler directement l'impression via une connexion USB ou via un module Wi-Fi.

Le logiciel présente une interface intuitive et permet aux utilisateurs d'explorer une collection de primitives géométriques que les utilisateurs peuvent importer dans l'impression. Ces primitives peuvent être glissées en position sur le fichier de langage triangulaire standard (STL) pour être imprimées et désignées comme structures de support.

MatterControl permet également aux utilisateurs d'accéder à des configurations d'impression avancées, ce qui le rend idéal pour la conception de bout en bout, la préparation du support, le découpage et le contrôle. Les utilisateurs d'entreprise peuvent passer à MatterControl Pro pour des fonctionnalités encore plus précieuses.

Cette solution gratuite basée sur un navigateur permet aux utilisateurs de concevoir des modèles 3D imprimables et fournit un point de départ pour la pratique de la modélisation solide. Sa fonction de construction de blocs facile à utiliser permet aux utilisateurs de former des modèles à l'aide de formes de base.

Tinkercad propose de nombreux guides et didacticiels pour aider les utilisateurs à créer les conceptions souhaitées, qui peuvent ensuite être facilement exportées ou partagées. Sa bibliothèque permet aux utilisateurs d'accéder à des millions de fichiers, leur permettant de trouver et de modifier la forme requise. Enfin, il offre une intégration directe avec des services d'impression tiers.

Cet outil gratuit et open source convient aussi bien aux débutants qu'aux utilisateurs avancés. Il est riche en fonctionnalités et peut être utilisé pour la modélisation et la sculpture 3D, ainsi que pour l'animation, le rendu, la simulation, le montage vidéo et le suivi de mouvement. Cependant, il a une courbe d'apprentissage abrupte.

Cette solution open source est une suite complète d'impression en résine, une excellente visionneuse de fichiers et optimisée pour la réparation et la manipulation des couches pour les SLA masqués. Il est compatible avec PrusaSlicer, permettant aux utilisateurs d'accéder à de nombreux profils d'imprimante MSLA tiers.

Le contrôle du moteur à deux étages (TSMC) est une caractéristique cruciale d'UVTools, permettant des vitesses d'impression à plusieurs niveaux pour différentes pièces de mouvement pour chaque couche. Cela réduit le temps d'impression et augmente la probabilité de réussite de l'impression.

Enfin, UVTools permet aux utilisateurs de créer une impression personnalisée d'étalonnage du temps de durcissement de la couche de résine pour tester de nouvelles résines et définir la configuration appropriée pour différentes hauteurs de couche.

Cette solution basée sur un navigateur peut être utilisée pour prévisualiser le code G sans avoir à ouvrir le fichier dans un slicer à pleine capacité. Les utilisateurs doivent simplement télécharger le fichier G-code, et WebPrinter affichera le chemin de l'outil que le fichier transmettra à l'imprimante 3D. C'est une méthode simple et rapide pour visualiser une sortie d'impression 3D potentielle.

Ce slicer open-source est compatible avec la plupart des imprimantes 3D modernes. Cura est bien adapté aux débutants car il est facile à utiliser, rapide et intuitif. D'autre part, les utilisateurs avancés peuvent en tirer parti pour accéder à 200 paramètres pour affiner les impressions.

Simplify3D est un puissant outil de découpage pour améliorer la qualité d'impression 3D. Il découpe la CAO en couches, corrige les problèmes de modèle et présente un aperçu utilisateur de la sortie finale. Ses fonctionnalités haut de gamme sont pratiques pour les imprimantes 3D d'entreprise à usage intensif.

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Bien que l'impression 3D ne soit pas une invention récente, elle a acquis une immense popularité ces derniers temps dans tous les secteurs en raison de sa nouvelle simplicité, de son efficacité et de sa rentabilité.

Les principales applications de l'impression 3D sont :

La construction est l'une des applications importantes de l'impression 3D. L'impression 3D concrète a été explorée depuis les années 1990 alors que les chercheurs cherchaient un moyen plus rapide et moins cher de construire des structures. Les applications spécifiques de l'impression 3D dans la construction comprennent le soudage additif, le collage de poudre (liaison réactive, liaison polymère, frittage) et l'extrusion (mousse, cire, ciment/béton, polymères).

Aujourd'hui, des imprimantes 3D à grande échelle conçues pour imprimer du béton sont utilisées pour couler des fondations et ériger des murs de chantier. Ils sont également capables d'imprimer des sections de béton modulaires pour un assemblage sur site. Ces solutions permettent une plus grande précision, une plus grande complexité, une construction plus rapide et une meilleure intégration fonctionnelle tout en réduisant les coûts de main-d'œuvre et en minimisant les déchets.

En 2016, la première passerelle piétonne (12 mètres de long, 1,75 mètre de large) a été imprimée en 3D en Espagne à l'aide de béton micro-armé. Un an plus tard, la première résidence entièrement imprimée en 3D a été construite en Russie. 600 éléments muraux ont été imprimés en 3D et assemblés, après quoi le toit et les intérieurs ont été créés pour une superficie totale de près de 300 mètres carrés.

L'impression 3D est également utile pour produire des modèles à l'échelle architecturale. Il est même exploré comme solution pour construire des habitats extraterrestres sur la Lune ou sur Mars, en cas de besoin.

Dans le cas du prototypage traditionnel moulé par injection, cela peut prendre des semaines pour produire un seul moule qui coûterait jusqu'à des centaines de milliers de dollars. Comme établi précédemment dans l'article, l'objectif initial de l'impression 3D était un prototypage plus rapide et plus efficace.

La technologie d'impression 3D minimise les délais de fabrication, permettant de réaliser le prototypage en quelques heures et à un faible pourcentage des coûts traditionnels. Cela le rend particulièrement idéal pour les projets où les utilisateurs doivent mettre à jour la conception à chaque itération.

L'impression 3D convient également à la fabrication de produits qui n'ont pas besoin d'être fabriqués en série ou qui sont généralement personnalisés. SLS et DMLS sont utilisés dans la fabrication rapide de produits finaux, pas seulement de prototypes.

Dans le domaine de la santé, l'impression 3D crée des prototypes pour le développement de nouveaux produits dans les domaines médical et dentaire. En dentisterie, l'impression 3D est également utile pour créer des modèles pour couler des couronnes dentaires en métal et fabriquer des outils pour créer des aligneurs dentaires.

La solution est également utile pour fabriquer directement des implants de genou et de hanche et d'autres articles en stock et créer des articles spécifiques au patient tels que des prothèses personnalisées, des prothèses auditives et des semelles orthopédiques. La possibilité de guides chirurgicaux imprimés en 3D pour des opérations particulières et d'os, de peau, de tissus, d'organes et de produits pharmaceutiques imprimés en 3D est à l'étude.

Dans l'aérospatiale, l'impression 3D est utilisée pour le prototypage et le développement de produits. La solution est également extrêmement utile dans le développement d'avions, car elle aide les chercheurs à répondre aux exigences rigoureuses de la R&D sans compromettre les normes élevées de l'industrie. Certains composants d'avion non critiques ou plus anciens sont imprimés en 3D pour le vol !

Les entreprises automobiles, en particulier celles spécialisées dans les automobiles de course, telles que celles utilisées en F1, tirent parti de l'impression 3D pour le prototypage et la fabrication de composants spécifiques. Les organisations de cet espace explorent également la possibilité d'utiliser l'impression 3D pour répondre à la demande du marché secondaire en produisant des pièces de rechange selon les besoins des clients plutôt que de les stocker.

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Le terme « impression 3D » englobe de nombreuses technologies et processus qui offrent collectivement un large éventail de capacités pour produire des composants à l'aide de divers matériaux. La principale similitude entre les types d'impression 3D est le processus de production additif couche par couche où aucune méthodologie soustractive, moulage ou moulage n'est requis. Les applications de l'impression 3D émergent rapidement dans les secteurs verticaux de l'industrie à mesure que la solution devient plus efficace et abordable et pénètre profondément et largement dans tous les secteurs.

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Rédacteur technique