Impression 3D
Comment fonctionne l'impression 3D ?
L'impression 3D est une méthode de fabrication additive. Elle est dite « additive » dans le sens où elle consiste simplement à empiler et à fusionner des couches de matériaux pour créer des objets réels au lieu d'avoir recours à un bloc de matériau ou à un moule. Elle permet de créer des géométries plus complexes que les technologies « conventionnelles », est souvent rapide, a des coûts de mise en place fixes peu élevés et fonctionne avec une gamme de matériaux toujours plus large. Le secteur de l'ingénierie en fait largement usage, notamment pour le prototypage et le développement de géométries légères.
Fabrication additive et impression 3D
Le terme « impression 3D » est souvent associé à la culture des makers, aux amateurs et aux passionnés, aux imprimantes de bureau, aux techniques d’impression accessibles comme la FDM et aux matériaux peu coûteux comme l’ABS et le PLA. Cela est en partie dû aux imprimantes de bureau abordables issues du mouvement RepRap, telles que les MakerBot et Ultimaker originales, qui ont contribué à la démocratisation de l’impression 3D et à l’essor de l’impression 3D en 2009.
Technologie d'impression 3D : l'avenir de la fabrication innovante
3Dimpressionhistoire
Les produits conceptuels d'impression 3D ont commencé dans les années 1970. En 1981, le scientifique japonais Dr Kodama, qui a été le premier à décrire la méthode de fabrication par impression couche par couche, a essayé l'impression 3D et a personnellement créé la technologie d'impression 3D SLA (stéréolithographie) - une résine photosensible polymérisée par lumière ultraviolette.
Quelques années plus tard, le scientifique américain Charles Hull a également mené des recherches approfondies sur la technologie SLA et a déposé le premier brevet SLA en 1986. Il a fondé 3D Systems et lancé son premier produit commercial, le SLA-1, en 1988. (photo ci-dessous)
On peut dire que le SLA est la première technologie d'impression 3D développée, alors quand le SLS (frittage sélectif par laser) et le FDM (modélisation par dépôt de fil fondu) ont-ils été développés plus tard ?
En 1988, l'Américain Carl Deckard a breveté à l'Université du Texas la technologie SLS, une autre technique d'impression 3D dans laquelle un laser fusionne localement des particules de poudre pour imprimer. La même année, Scott Crump, l'un des fondateurs de Stratasys, a déposé un brevet pour la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM). De 1980 à 1990, les trois principales technologies d'impression 3D ont toutes été brevetées, marquant le début d'une période de développement rapide dans cette industrie.
En Europe, EOS GmbH a créé un système de conception pour l'impression 3D : le système "Stéréos". Aujourd'hui, ses modèles imprimés en 3D dans le secteur industriel sont reconnus dans le monde entier pour la technologie d'impression 3D SLS (Selective Laser Sintering) pour les plastiques et les métaux.
En 1992, le brevet de la technologie d'impression 3D FDM (Fused Deposition Modeling) a été autorisé par Stratasys, qui a développé des imprimantes 3D pour répondre aux différents besoins de nombreux professionnels et particuliers.
Entre 1993 et 1999, diverses technologies ont émergé dans le secteur de l'impression 3D. Dans le même temps, de plus en plus de nouveaux logiciels de CAO et de modélisation 3D ont été développés, par exemple Sanders Prototype (aujourd'hui appelé Solidscape) qui a été l'un des premiers à être créé.
Applications multi-domaines de l'impression 3D
En 2008, la première prothèse imprimée en 3D est sortie, ce qui a encore accru la part de l'impression 3D dans les médias. Les gens ont découvert que l'impression 3D peut non seulement imprimer des pièces traditionnelles, mais aussi être appliquée à la réparation du corps humain. Cet étonnant projet d'impression 3D médicale combine toutes les pièces d'un membre biologique et peut être imprimé « tel quel » sans aucun assemblage ultérieur. Aujourd'hui, combinées à la numérisation 3D, les prothèses et orthèses médicales imprimées en 3D deviennent moins chères et plus rapides pour répondre aux besoins des patients. De plus, ces prothèses sont de plus en plus optimisées et adaptées à la morphologie du patient. L'impression 3D apporte de nouvelles opportunités de personnalisation de masse. (ajouter une image)
2009 a été l'année où les brevets FDM sont entrés dans le domaine de la consommation de masse, ce qui a ouvert une nouvelle voie à l'innovation extensive des imprimantes 3D FDM. Avec la baisse du prix des imprimantes 3D de bureau, de plus en plus de personnes ont pu prêter attention au développement de l'industrie de l'impression 3D.
En 2013, le président américain Barack Obama a mentionné l'impression 3D dans son discours sur l'état de l'Union comme le principal mode de production du futur, faisant de « l'impression 3D » un mot à la mode. Aujourd'hui, sa place dans l'esprit du public est très importante. De plus en plus de petites et moyennes entreprises profitent du prototypage à faible coût offert par l'impression 3D, l'intégrant pleinement dans leurs processus d'itération, d'innovation et de production.
Concept de voiture imprimée en 3D
En ce qui concerne les applications de construction, les maisons imprimées en 3D sont désormais une réalité. Des personnes ont emménagé pour la première fois dans des maisons imprimées en 3D en 2018. La maison a une superficie de 1022 pieds carrés, ce qui est très habitable. Il a fallu au total deux jours pour l'imprimer.
Le système de classification de l'impression 3D sur les similitudes et les différences entre la fabrication et l'impression 3D
Prenons l'exemple d'une boule évidée. Il y a plus d'une douzaine de fleurs à la surface. Si elle est traitée par usinage traditionnel, ce sera très gênant et les motifs doivent être modifiés un par un. Et si vous choisissez l'impression 3D, il n'y a pas de gaspillage de matière, c'est pourquoi elle porte également le nom de fabrication additive, ce qui signifie que la méthode d'accumulation progressive de matériaux est utilisée pour fabriquer des pièces physiques. La méthode traditionnelle consiste à fabriquer d'abord l'embryon, puis à retirer l'excès de matière, et la matière restante est la forme requise. Si un problème est détecté, il est nécessaire d'ouvrir un moule et de le modifier ; alors que l'impression 3D utilise l'accumulation de matière petit à petit, vous pouvez rapidement voir le produit fini.
Réalisation de la technologie d'impression 3D
La technologie d'impression 3D est appliquée à la production industrielle. L'impression 3D n'a pas besoin d'utiliser l'objet physique, mais le modèle numérique. Si vous souhaitez imprimer en 3D l'objet réel qui se trouve devant vous, vous devez utiliser un ordinateur pour le modéliser ou utiliser un scanner 3D pour numériser l'objet réel, c'est-à-dire un modèle 3D, et vous pouvez imprimer des choses en seulement quinze minutes. À l'heure actuelle, la technologie d'impression 3D est divisée en quatre grandes catégories : FDM, DLP/SLA et SLS
SLS – procédé de moulage par frittage laser
Le SLS est une poudre de haute technologie qui fond dans des conditions de haute température d'irradiation laser. Étalez une fine couche de poudre sur l'établi et scannez la section transversale de la couche avec le faisceau laser pour augmenter la température jusqu'au point de fusion, afin de réaliser le frittage et le collage, répétez l'étalement de la poudre, le frittage, le meulage et le séchage jusqu'à ce que le modèle soit formé. En fait, l'impression 3D est une impression 2D encore et encore. Si vous coupez un objet très finement, vous constaterez que chaque pièce a une forme. Si vous assemblez toutes les formes, vous obtenez un objet à structure tridimensionnelle. Nous utilisons donc des lasers pour dessiner des graphiques. La résistance des pièces moulées SLS à l'environnement (température, humidité et corrosion chimique) est similaire à celle des matériaux thermoplastiques ; tandis que la résistance des pièces moulées SLA est relativement faible, par exemple, les pièces SLA moulées avec de la résine époxy sont sensibles à l'humidité et aux produits chimiques. La corrosion, elle se ramollira et se déformera dans un environnement supérieur à 38°C, mais la précision de formage est élevée.
SLA – procédé de moulage par stéréolithographie
La SLA est une technologie de photopolymérisation relativement développée en Chine à l'heure actuelle. La « stéréolithographie » consiste à tracer le contour de la première couche de l'objet à la surface de la résine liquide à l'aide d'un faisceau laser, puis à abaisser la plate-forme de production d'une certaine distance (entre 0,05 et 0,025 mm), puis à immerger la couche solidifiée dans la résine liquide, et ainsi de suite. La résine utilisée est une résine photosensible, qui formera un état solide après avoir été irradiée par le faisceau laser, et le modèle de formation est rapide et précis.
DLP – procédé de moulage par stéréolithographie
Traitement de la lumière numérique DLP, connu sous le nom de technologie de mise en forme au laser. La technologie d'impression 3D DLP présente de nombreuses similitudes avec la technologie d'impression 3D SLA. Si la production est comparée au dessin d'un cercle avec un crayon, alors la technologie SLA équivaut à dessiner couche par couche, tandis que DLP équivaut à l'estampage direct. La production de masse que nous poursuivons a deux points très importants, l'un est l'efficacité et l'autre est le coût des matériaux. Il existe une imprimante 3D qui peut imprimer des centaines de fois plus vite que la fabrication traditionnelle, c'est-à-dire la technologie face à face, qui a été développée par une société de Shenzhen, Light Prism Technology. Il faut 2 à 5 heures pour imprimer une boule creuse avec l'impression 3D FDM traditionnelle, et cela prend une heure au plus vite, mais cela ne prend qu'environ 10 minutes pour imprimer avec la dernière technologie face à face. La vitesse d'impression est incroyable. Une fois cette impression 3D sur le marché, l'impact sur l'artisanat traditionnel est toujours grand.
FDM – Procédé de moulage par dépôt de fil fondu
Par rapport aux technologies DLP et SLS, la technologie FDM est relativement simple, elle a donc un large public et est plus facile à intégrer dans la famille. Le prototype est directement construit à partir des données CAO 3D en utilisant le matériau thermoplastique à extruder en un filament semi-fondu, qui est déposé couche par couche. Les avantages de la technologie FDM sont une structure mécanique simple, une conception facile, un faible coût de fabrication, de maintenance et de matériaux, et aucune pollution de l'environnement. Par conséquent, la FDM est également la technologie la plus largement utilisée dans les imprimantes 3D de bureau domestiques. Il s'agit d'une méthode d'impression relativement traditionnelle, qui n'utilise pas de laser et a un faible coût, mais la précision n'est pas élevée et la vitesse d'impression est très lente. C'est la méthode la plus accessible à tous, et elle est généralement utilisée sur le marché de l'éducation.
L'impact de l'impression 3D sur la fabrication et l'artisanat traditionnel
Avantages de l'impression 3D
(1) Personnalisation
Prenons l'exemple de la dentisterie : les dents de chacun sont différentes, mais l'impression 3D peut résoudre la contradiction entre la production personnalisée et la production de masse, et produire en masse des implants, des appareils orthodontiques, etc. personnalisés.
(2) échantillon en temps réel
En raison de la rapidité de l'impression 3D, le concepteur conçoit une version du produit le matin et le chef peut voir le produit fini à midi, puis conçoit une autre version à 18 heures et peut voir le produit fini le lendemain matin, ce qui accélère considérablement la vitesse de développement de nouveaux produits. Si ce n'est pas particulièrement compliqué, l'impression 3D peut produire des produits finis en 3 heures, tandis que l'épreuvage traditionnel prend 4 à 6 semaines à chaque fois, ce qui améliore également la vitesse globale de la conception industrielle.
(3) Pas de pollution
Les matières premières produites étant toutes respectueuses de l'environnement, l'ensemble du processus de production est une production sans pollution. Il n'y a pas de pollution des gaz résiduaires et des eaux usées, ni de gaspillage de matériaux restants.
(4) Dataisation
Avec l'arrivée de la dentisterie numérique, les exigences techniques des médecins seront considérablement réduites. Les patients n'auront besoin que de deux minutes pour scanner l'instrument à l'hôpital et pourront connaître les causes et les solutions de tous les problèmes dentaires.
L'impression 3D peut également être utilisée en orthodontie, en imprimant des appareils dentaires transparents personnalisés et sur mesure. Lors d'une chirurgie plastique, les dents doivent-elles se déplacer vers la gauche ou vers l'avant ? De combien de millimètres doivent-elles se déplacer ? Dans le passé, la chirurgie dentaire reposait uniquement sur l'expérience personnelle du médecin, mais la dentisterie numérique a augmenté la stabilité de l'opération et abaissé le seuil technique pour les médecins.
(5) Rapide
Par rapport aux procédés industriels traditionnels, l'impression 3D ne nécessite pas de préparations préalables telles que la main-d'œuvre et le transport. Elle ne nécessite que des machines et des matières premières et peut être mise en production rapidement.
(6) Automatisation
On peut dire qu'entre l'imagination virtuelle et la réalité, il n'y a qu'une seule imprimante 3D. La production en une seule touche de l'impression 3D permet d'économiser beaucoup de coûts de main-d'œuvre et d'éviter les erreurs humaines.