Impression 3D

Le monde de l'impression a fait un pas de géant avec le développement de l'impression 3D. Le processus d'impression 3D est une étape importante pour un grand nombre d'entreprises. Tous les fournisseurs ou fabricants de pièces détachées, de petites séries ou même de prototypes peuvent les produire plus rapidement et plus facilement, de sorte que les processus des entreprises ont été énormément accélérés et simplifiés par le processus d'impression 3D. Chez print24, vous découvrirez ce qu'est exactement l'impression 3D, son origine, les différents procédés disponibles et ses avantages !

Définition de l'impression 3D

L'impression 3D est également appelée fabrication additive ou générative. L'idée sous-jacente à ce processus de fabrication est de convertir un modèle numérique en un modèle tridimensionnel. En outre, elle fait partie des procédés de fabrication par déformation, ce qui signifie qu'un corps solide est produit à partir d'un corps informe. Le corps a une forme géométriquement définie. En résumé, l'impression 3D consiste à créer des objets physiques à partir de fichiers numériques. Les données numériques sont générées par la modélisation CAO, les données des scanners 3D ou la modélisation 3D, mais l'imprimante 3D ne peut pas les lire directement. Elle a donc besoin d'un logiciel qui traduit la forme géométrique dans le langage machine de l'imprimante par le biais du "code G". Ce logiciel, appelé "slicer", divise l'objet 3D en couches individuelles. L'objet est ensuite construit/imprimé couche par couche, d'où le nom de fabrication additive. Cette technique s'oppose à la fabrication soustractive, qui consiste à enlever de la matière à des objets existants. L'impression d'une imprimante 3D est tridimensionnelle, c'est-à-dire que l'objet a une largeur, une longueur et une hauteur prédéfinies. Par conséquent, l'imprimante 3D travaille avec un axe vertical (axe Z) en plus des deux axes horizontaux habituels (axes X et Y).

Structure et fonction d'une imprimante 3D

"Parmi les imprimantes 3D, on peut distinguer les imprimantes ouvertes et fermées, les appareils complets et les kits. Alors que la plupart sont livrées complètes, les kits doivent d'abord être assemblés par l'utilisateur. Les appareils complets sont généralement plus chers que les kits, mais vous vous épargnez l'assemblage. Dans le cas d'une imprimante 3D fermée, l'espace d'installation est fermé. Selon l'endroit où l'imprimante est utilisée, on peut choisir une version ouverte ou fermée. En principe, une imprimante 3D se compose d'un lit d'impression/de chauffe, d'une structure de support, d'un objet à imprimer, d'une buse, d'un matériel de support et d'un matériel d'impression. Toutefois, la construction peut varier légèrement au sein d'une même technologie. Selon la structure susmentionnée, une imprimante 3D fonctionne comme suit : tout d'abord, le lit chauffant et la buse se réchauffent. Ensuite, le lit chauffant se déplace jusqu'à la tête d'impression. Le filament fondu (plastiques spéciaux, métaux ou autres matériaux) est ensuite appliqué sur le lit chauffant jusqu'à ce que la première couche soit terminée. Lorsque la première couche est terminée, le lit chauffant descend d'une hauteur de couche, mesurée ici en microns. La deuxième couche de filaments est appliquée sur la précédente et fusionnée avec elle. S'il existe des zones de dépassement, il est possible d'utiliser une structure de support faite du même matériau ou d'un autre, le matériau alternatif devant pouvoir se dissoudre dans l'eau ou même dans une autre solution. La dernière étape est répétée jusqu'à ce que l'objet en 3D soit terminé.

Types de procédés d'impression 3D

Les procédés d'impression 3D les plus courants sont présentés ci-après. Outre ceux mentionnés, il existe de nombreuses autres variantes. Fondamentalement, on peut distinguer les procédés d'impression 3D suivants :

• Fusion sélective par laser (SLM)/Frittage sélectif par laser (SLS)
• Fusion par faisceau d'électrons (EBM)
• Modélisation par dépôt en fusion/Fabrication par filament en fusion (FDM/FFF)
• Stéréolithographie (STL/SLA)
• Soudage par accumulation au laser
• Imagerie par transfert de film (FTI)
• Traitement numérique de la lumière (DLP)
• Modélisation à jets multiples / Modélisation à jets multiples

Dans le processus de fusion sélective au laser, un métal composé d'une poudre est appliqué et fondu par le laser. L'objet à imprimer est ensuite abaissé en fonction de l'épaisseur de la couche, la poudre est à nouveau appliquée et fondue. L'impression 3D se déroule dans une atmosphère protectrice ; les métaux, les plastiques, le sable ou les céramiques peuvent être traités. En revanche, le frittage sélectif par laser (SLS) n'utilise pas de poudre métallique pure, mais ajoute un liant. De plus, la poudre spéciale n'est que partiellement fondue, ce qui fait que les matériaux se collent les uns aux autres. La fusion par faisceau d'électrons (EBM) utilise également de la poudre et la traite de la même manière que la fusion sélective par laser, sauf qu'un faisceau d'électrons est utilisé à la place d'un laser. Un ressort à support magnétique le positionne et le dirige.

Dans l'application de la modélisation par dépôt en fusion/fabrication par filament en fusion (FDM/FFF), un plastique spécial est d'abord chauffé, puis l'objet en 3D est imprimé en feuilles. Dans ce processus, le filament est transporté par une bobine jusqu'à la buse, d'où il est appliqué sur la plaque de construction, où il se solidifie directement. Comme la surface de l'objet est souvent un peu rugueuse après la production, elle doit être retravaillée. Le résultat du travail de précision est satisfaisant. Le durcissement du plastique liquide à l'aide de la lumière UV a lieu dans le cadre du processus de stéréolithographie (STL/SLA). L'objet en 3D est produit dans un bain de plastique liquide, à l'aide d'un laser qui durcit les différentes couches. Les éventuelles structures de soutien utilisées sont retirées une fois l'objet 3D terminé et durci. Les modèles ont une très grande précision. Le soudage par accumulation au laser utilise un laser à diode ou à fibre. Il applique une poudre ou un fil métallique sur la pièce à l'aide d'une buse. Lors de l'utilisation de la poudre, l'imprimante 3D fonctionne de manière entièrement automatique, ce qui la rend adaptée à la réparation de composants ou à la production de prototypes.

L'imagerie par transfert de film (FTI) implique l'application d'une fine pellicule de matériau sur une feuille de transport. Les couches sont créées par illumination, puis la pièce est soulevée et un nouveau film est appliqué. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que l'objet en 3D soit terminé, avec un niveau de précision très élevé. Les plastiques sensibles à la lumière sont utilisés comme filament dans le FTI. Dans le traitement numérique de la lumière (DLP), l'objet 3D est créé à partir d'un bain de plastique. Le processus est un mélange des technologies d'impression 3D STL et FTI, la technologie FTI étant utilisée comme dans le RTI. Le Multi Jet Modelling/Poly Jet Modelling, quant à lui, utilise une technique similaire à celle de l'imprimante à jet d'encre. Plusieurs buses sont fixées à une tête d'impression, qui imprime le modèle 3D couche par couche. Les modèles se caractérisent par un niveau de détail très élevé et les filaments utilisés sont des photopolymères sensibles aux UV, qui durcissent à la lumière.

Les matériaux pour les procédés d'impression 3D

En raison de l'évolution de la technologie, les matériaux pour l'impression 3D ont dû être adaptés au fil des ans. Nous présentons ci-dessous les principaux matériaux spécialisés tels que les plastiques ou les métaux :

Plastiques pour l'impression 3D

Le PLA (polyactide) est l'un des matériaux les plus populaires pour l'impression 3D. Les polymères synthétiques appartiennent au groupe des polyesters, sont obtenus à partir d'amidon de maïs, c'est-à-dire de ressources régénératives, et sont biocompatibles et recyclables. Le PLA peut déjà être transformé à des températures de fusion basses de 70 °C et reste généralement stable sur le plan dimensionnel, même lorsqu'il est refroidi. Ces deux propriétés rendent le PLA intéressant pour les utilisateurs privés et professionnels. Le PLA est aujourd'hui disponible dans de nombreuses couleurs différentes. Le seul inconvénient de ce matériau est qu'il n'est que peu robuste et résistant à la chaleur, de sorte qu'il ne convient pas à la production de pièces soumises à de fortes contraintes.

L'ABS (acrylonitrile butadiène styrène) est la deuxième matière plastique la plus utilisée dans l'impression 3D et est également un polymère synthétique. Il est fabriqué à partir d'acrylonitrile, de butadiène 1,3 et de styrène. Les propriétés avantageuses sont la résistance, la rigidité et la ténacité du matériau. Il peut être utilisé pour le prototypage et la fabrication de produits finis. L'ABS est imprimé à une température comprise entre 220 et 250 °C et doit être imprimé dans une salle d'impression chauffée ou sur un lit d'impression. Cela permet de refroidir les objets fabriqués et d'éviter les déformations. Comme le PLA, l'ABS est disponible en différentes couleurs et est relativement bon marché, mais en raison des températures élevées impliquées dans l'impression 3D, il est moins populaire auprès des utilisateurs privés. En outre, il ne résiste pas suffisamment aux intempéries.

Les PEEK (polyétheréthercétone) sont des polymères synthétiques du groupe des polyéthercétones. Ils peuvent être utilisés pour imprimer des objets très élastiques et résistants à la température. Ils sont également biocompatibles et résistants aux produits chimiques. Le PEEK thermoplastique est environ 70 % plus léger que les métaux ayant des propriétés similaires, mais il présente une stabilité mécanique et thermique comparable. Le secteur automobile, l'industrie chimique et l'industrie aérospatiale préfèrent donc utiliser le PEEK. Il s'imprime à une température de 360 à 380 °C et n'est donc pas très adapté à un usage privé.

Le HIPS (Haut Impact Polystyrene) appartient également aux polymères thermoplastiques et est produit par la polymérisation du polybutadiène en polystérol. Il présente une résistance aux chocs et une dureté élevées et peut être dissous dans des produits chimiques. Il convient donc particulièrement bien comme matériau de support pour d'autres polymères. Il est éliminé chimiquement, ce qui permet de maintenir des tolérances strictes dans les composants fabriqués.

Le PA (nylon/polyamide) présente une résistance élevée à la traction, fond à 250 °C et n'est pas toxique. Les objets 3D créés avec du nylon sont solides et résistants aux dommages. Le nylon n'est pas endommagé par la plupart des produits chimiques courants et il est peu coûteux. L'inconvénient de ce matériau est qu'il ne convient guère à un usage privé en raison de ses températures de fusion élevées et qu'il nécessite à la fois un lit d'impression chauffé et de la colle blanche pour adhérer au lit d'impression lors de l'impression 3D.

La plupart des gens connaissent probablement le PET (polyéthylène téréphtalate) grâce aux bouteilles de boisson. C'est également là que réside l'avantage, car le PET est sûr pour les aliments et peut être utilisé pour l'emballage. Comme aucune vapeur n'est produite pendant le processus de fusion, l'impression 3D avec le PET ne nécessite pas de salle d'impression chauffée. C'est pourquoi cette application est très prisée dans le secteur privé. Les objets 3D en PET sont relativement robustes, mais aussi flexibles.

Le PETG (PET avec glycol) permet d'obtenir une grande transparence du matériau grâce à la modification du glycol. Les propriétés d'impression s'en trouvent également améliorées. Il en résulte une température de fusion plus basse et une cristallisation moindre. Le PETG peut être extrudé plus rapidement que le PET et résiste aux intempéries. C'est pourquoi il est souvent utilisé pour les meubles et outils de jardin ainsi que pour les vases.

Métaux pour l'impression 3D

Outre les matières plastiques mentionnées, les métaux peuvent également être utilisés dans l'impression 3D.

L'aluminium ou les alliages d'aluminium sont incontournables dans l'impression 3D en raison de leur résistance et de leurs bonnes propriétés thermiques. En outre, les objets 3D sont légers et peuvent être retravaillés avec souplesse. Les industries automobile, aérospatiale et aéronautique bénéficient de l'utilisation des alliages d'aluminium ; des pièces de moteur, des boîtiers, des moules, des prototypes, des conduits d'air et bien d'autres choses encore sont produits par impression 3D.

Le titane ou les alliages de titane sont parmi les plus connus dans le domaine de l'impression 3D avec des métaux. Il possède des propriétés mécaniques exceptionnelles et, en même temps, un faible poids spécifique. Le matériau est résistant à la corrosion et peut être utilisé dans de nombreux environnements aux exigences techniques élevées, tels que l'aviation. Les dispositifs médicaux, les pièces de rechange, les prototypes fonctionnels ou les pièces destinées aux utilisateurs finaux sont les objets 3D les plus courants fabriqués à partir d'alliages de titane.

Un autre métal utilisé dans l'impression 3D est l'acier inoxydable/alliage d'acier inoxydable. Il est pauvre en carbone et très résistant à la corrosion. Les pièces fabriquées de manière appropriée présentent également une excellente résistance, de bonnes propriétés thermiques et une grande ductilité. L'impression 3D avec l'acier inoxydable est utilisée de préférence pour les composants de machines ou les applications alimentaires.

Outre les plastiques et les métaux, la céramique, le sable, le béton et le verre font également partie des matériaux utilisés dans l'impression 3D.

L'histoire de l'impression 3D - qui a inventé l'imprimante 3D ?

L'histoire de l'impression 3D remonte au 19e siècle. En 1859, le Français François Willème, photographe et sculpteur, invente un appareil qui permet de créer un modèle 3D à l'aide de plusieurs caméras. En 1892, l'Autrichien Joseph E. Blanther dépose un brevet pour la production de cartes en relief. Pour produire ces cartes, on laminait à l'époque des plaques de cire dans lesquelles on découpait la forme souhaitée et que l'on collait l'une sur l'autre. Cela permettait de créer une carte en 3D à travers plusieurs couches.

Après plusieurs décennies sans développement connu de l'impression 3D au 20e siècle, l'inventeur japonais Hideo Kodama a finalement déposé une nouvelle demande de brevet en 1980 : Il y décrit comment un matériau photopolymère durcit sous l'effet de la lumière UV et comment un modèle est ainsi créé couche par couche, ce qui est similaire au principe de la stéréolithographie. En raison de difficultés financières, il n'a pas pu continuer à payer la demande de brevet, ce qui lui a fait perdre sa notoriété. En 1984, les Français Alain le Méhauté, Olivier de Witte et Jean-Claude André ont tenté d'obtenir un brevet pour le procédé consistant à durcir un liquide à l'aide d'une source lumineuse. Ils l'ont également appelé stéréolithographie. Cependant, l'institut de recherche contacté n'a pas vu le potentiel de l'invention et a arrêté le projet. Finalement, c'est l'Américain Chuck W. Hull qui a déposé une demande de brevet trois semaines plus tard. Il avait déjà inventé la stéréolithographie en 1981, qui a été mise en pratique pour la première fois en 1983. En 1985, le premier programme de conception en 3D est disponible et en 1986, il fonde la société 3D Systems, aujourd'hui mondialement connue. En 1988, la première imprimante 3D (machine SLA-1) est commercialisée.

En 1992, la première machine de frittage sélectif par laser a été produite par DTM, qui irradie la poudre avec de la lumière laser selon le procédé. Elle a été suivie par une imprimante 3D de Z Corp, qui utilisait le procédé de projection de liant. À la fin des années 1990, les métaux ont pu être traités en plus des plastiques et davantage de programmes de CAO ont été mis sur le marché. Au cours des années 2000, la fabrication additive a pris de l'ampleur, notamment dans le domaine de la médecine. Pour la première fois, un organe imprimé en 3D a été implanté chez un être humain. Les années 2000 ont été marquées par d'autres développements. Les imprimantes 3D peuvent désormais produire des pièces pour d'autres imprimantes 3D et font leur entrée sur le marché du travail. À partir de 2010, les nouveaux modèles peuvent également imprimer des prototypes de voitures, des imprimantes alimentaires 3D apparaissent, les premiers composants imprimés en 3D pour des stations spatiales et des prothèses de mâchoires et d'os. De même, les petites et moyennes entreprises ont bénéficié de l'impression 3D, qui leur a permis de produire des prototypes à moindre coût. Le processus de production additive de plastique le plus productif est actuellement le processus de fusion à jets multiples, qui permet d'obtenir des objets présentant une surface homogène et une densité de matériau presque sans pores.

Que nous réserve l'avenir ? Il est très probable que la technologie de l'impression 3D évolue vers la production de masse, car de plus en plus de matériaux peuvent être imprimés en moins de temps et avec une grande qualité.

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