impression 3D

Sous l’appellation de fabrication additive sont réunis différents procédés de fabrication consistant à produire un objet par l'ajout successif d'un matériau. De ce fait, elle s'oppose aux techniques traditionnelles soustractives, où l'objet prend forme par retrait de matière (par usinage).

Nous aborderons les différentes techniques existantes, ainsi que leur applications.

Ainsi, la conception est toujours réalisée couche par couche, même si le principe d'ajout de la matière peut être différent selon le procédé considéré.

On peut considérer 7 procédés de fabrication additive selon une classification reconnue internationalement (ASTM F42^[1]) :

• l'extrusion et dépôt de fil fondu ;

• la photo-polymérisation d'une résine ;

• la fusion sur lit de poudre ;

• la projection de matière ;

• la projection de liants ;

• le laminage, ou la stratification de matériau en feuilles ;

• le dépôt direct de matière sous énergie concentrée.

Les procédés peuvent aussi être regroupés selon le principe physique engagé :

• la fusion de fil ;

• la stéréolithographie ;

• le collage de feuilles ou de poudres ;

• la fusion et le frittage de poudres.

L'extrusion de matière est le procédé le plus utilisé (appelée FDM^[2], Fused Deposition Modeling ou FFF,^[3] Fused Filament Fabrication). Il s'agit d'un procédé d'extrusion qui vient déposer, via une tête d'impression mobile, un matériau thermoplastique sur une surface. Le principe de dépôt de matière fondue permet de s'adresser à de nombreux matériaux thermoplastiques, biomatériaux ou composites (connaissant leur température de fusion), et rend possible l'impression simultanée de plusieurs matériaux pour un même objet. La plupart du temps, le matériau initial est conditionné sous forme de fil (c'est pourquoi on parle aussi de dépôt de fil fondu), mais cela peut aussi être des granulats ou des pâtes (plus ou moins liquides). Ce large éventail de matériau fait de ce procédé un bon candidat pour les industries agro-alimentaire ou pharmaceutique.

Au delà du procédé lui même, on peut classifier les imprimantes par extrusion de matière selon le type de mécanisme, pour le déplacement de la tête d'impression : cartésien, delta, polaire ou à bras robotique.

Le système cartésien est le plus simple. Le principe delta permet des impressions plus rapides, mais est plus consommateur de calcul pour la détermination de la trajectoire de la tête d'impression. Le système polaire, ou le plateau peut tourner en même temps que la tête se déplace, permet aussi d'imprimer plus vite. Enfin, l'utilisation d'un bras robotique permet une totale liberté de mouvement, et est surtout adapter à des impressions complexes de grande taille.

La tête d'impression peut être constituée d'une simple buse, ou d'une seringue rendant alors possible l'impression de matériaux spécifiques (alimentaire ou biologique par exemple).

Par ailleurs, pour des applications très spécifiques, le procédé d'extrusion peut être associé à un faisceau lumineux focalisé (LASER ou UV), pour polymériser une résine par exemple, en cours d'impression.

Le procédé d'impression 3D par photo-polymérisation (stéréolithographie ou SLA^[4] pour Stéréolithographie Apparatus) est le plus ancien, il est basé sur la polymérisation d'une résine photosensible, par une source lumineuse focalisée, couche par couche, dans un bain de résine. De part son principe, il permet la fabrication de pièces présentant des détails très fins, et un état de surface totalement lisse.

Ce procédé est particulièrement adapté pour l’impression de petit objet (voire nanométrique), nécessitant une grande finesse de détails (on peut citer des applications électroniques, dentaires, ou de joaillerie).

L'impression 3D par fusion de poudre (PBF^[5], Powder Bed Fusion) est basée sur l'utilisation d'un LASER pour venir fusionner un matériau présent sous forme de poudre. Ces poudres peuvent être métalliques, plastiques ou céramiques. La poudre est déposée couche par couche (de l'ordre de 100 μm), et le laser focalisé permet le frittage localisé du matériau (impression par SLS^[6] (Selective Laser Sintering). En règle générale, le lit de poudre est maintenu à une température proche de la température de fusion, et le laser apporte l'énergie nécessaire pour passer au dessus de cette température, et permettre le frittage de la poudre. L'homogénéité de la poudre est un critère important dans la conduite de ce procédé.

Lors de l'impression, la pièce est auto-portée dans le bac de poudre, ce qui permet de s'affranchir d'un matériau de support, et rend aussi possible la fabrication de plusieurs pièces indépendantes au cours d'une même impression.

Le procédé d'impression par projection de matériaux consiste à pulvériser des gouttelettes de photo-polymères par des têtes d'impression qui viennent ainsi les déposer sur le plateau d'impression. Chaque couche est alors polymérisée par une source d'ultraviolet. La composition des gouttelettes peut varier en chaque point (comme lors d'une impression d'images par jet d'encre), ce qui offre une grande richesse de l'objet final du point de vue de sa composition matériel, et donc de ses propriétés d'usage.

Dans l'ensemble, cette technique est surtout adaptée à du prototypage, car la tenue dans le temps des objets produits n'est pas très bonne.

Il s'agit de la fabrication d'un objet par stratification d'une poudre. La poudre est progressivement encollée, couche par couche, à l'aide d'un liant projeté. Le liant peut être une colle extraforte, type cyano-crylate. Comme les colles peuvent être teintées, par mélange, on peut obtenir un objet multicolore.

Dans le cas de poudres métalliques, l'impression peut être suivie d'une étape critique de frittage, pour assurer la tenue mécanique de l'objet final.

Ce procédé est intéressant économiquement, et permet l'impression d'objets de grandes tailles, mais il donne lieu a des objets dont la tenue mécanique est bien moindre de celle obtenue par fusion de poudre. De ce fait, cette technique est surtout employée pour la production de moules (en sable ou silice) pour la fonderie.

Ce procédé consiste à assembler entre-elles des feuilles de papier, de plastique ou de métaux. L'assemblage est réalisé par collage, ou par ultrasons. Après le dépôt d'une feuille, celle-ci est découpée à l'aide d'une lame ou d'un laser.

Le dépôt de matière sous énergie concentrée consiste à déposer du matériau (métal, céramique), le plus souvent à l'aide d'un bras robotisé à 4 ou 5 axes de liberté, dans un faisceau d'énergie (laser ou arc électrique) pour le faire fondre, comme lors d'une soudure. Cette étape de fabrication additive est rapide, et permet une grande liberté de mouvement de la tête d'impression, mais bien souvent grossière, elle peut alors être suivie par une étape classique d'usinage, notamment pour améliorer l'état de surface de l'objet fini.

Ce type de procédé est très peu répandu.