Quels objets peut-on fabriquer avec une imprimante 3D ?

Dire est une chose et on nous en a déjà beaucoup parlé, on a aussi écrit de multiples articles sur les applications possibles de l’impression en 3D, on imagine ses exploits, on « rêve » à ses extraordinaires possibilités, mais pour bon nombre d’entre nous, ses véritables applications restent encore mystérieuses.

Afin d’en savoir plus, nous allons détailler ci-dessous les applications possibles de l’imprimante 3D.

Des prototypes

La technologie de l’impression en 3D est en fait « vieille » de plus de 30 ans puisqu’elle a été inventée en 1983 par Charles HULL, un ingénieur américain. Les constructeurs l’utilisent depuis une vingtaine d’années sous le nom de fabrication par addition de couches (fabrication additive). Renault, Adidas, Nike et Opel ont réalisé de sérieuses économies de temps, de main d’œuvre et d’outillage en fabriquant leurs prototypes avec une imprimante 3D.

Des outils, des maquettes

En production, c’est très intéressant pour les pièces fabriquées en petites séries qui peuvent êtres longues et compliquées à mettre en œuvre.

Un particulier bricoleur peut fabriquer des poignées de porte, des petites pièces détachées dont il a besoin pour une réparation, les possibilités sont réellement variées.

Une maquette est une représentation miniature d’une réalisation architecturale ou d’une œuvre d’art. L’impression 3D retranscrit avec une extrême précision les formes les plus travaillées. Les matériaux utilisés avec l’impression 3D sont plus résistants que les matériaux traditionnels.

Des prothèses, des implants

On imprime en 3D des prothèses auditives, des prothèses dentaires, des prothèses de mains et d’avant-bras. L’avantage, c’est qu’elles sont parfaitement adaptées, on peut même dire qu’elles forment corps avec la morphologie du patient. Et le coût de production est moins élevé ainsi que les délais de livraison. Les chirurgiens-dentistes utilisent l’impression 3D pour élaborer des guides qui leur sont utiles lors de la pose d’implants.

Dans le journal Les Echos, on a pu lire qu’une équipe médicale a implanté un crâne reconstitué en impression 3D.

Des tissus biologiques : on imprime du vivant

Une firme implantée aux Etats-Unis a mis au point un système très élaboré permettant d’imprimer en 3D des cellules humaines à l’aide d’hydrogel. La France peut s’enorgueillir de l’invention de la bio-impression en 4D par le biais de Poietis, une société bordelaise.

Des aliments

Avec une imprimante 3D on fabrique des confiseries, des petites pièces de sucre aux formes géométriques, des carrés de chocolat … La NASA s’intéresse au processus d’impression en 3D pour améliorer le goût, l’aspect et la qualité de la nourriture des astronautes lassés d’avaler des poudres lyophilisées. Le progrès ne s’arrêtant jamais, on fabrique maintenant des pizzas et des quiches.

Des vêtements

On a vu défiler des mannequins vêtues de robes imprimées en 3D. Et c’était très réussi. Effectivement à l’aide d’un scan, le sur-mesure est absolument parfait. On imprime en 3D des robes, des pantalons, des vestes, des chaussures, des sous-vêtements … Les créateurs de mode ont intégré l’impression en 3D qui leur permet d’élaborer des prototypes aux formes très élaborées pour un coût peu élevé.

Des accessoires de mode et des bijoux

Les joaillers utilisent presque toujours l’impression en 3D pour la fabrication de moules à cire perdue. A tel point que les constructeurs fabriquent désormais des imprimantes 3D spécialement adaptées à la fabrication de ces moules utilisés par les bijoutiers.

Des figurines, des jouets

En prenant modèle sur une photographie, l’imprimante 3D est capable de reproduire avec une précision étonnante les traits d’un visage, la ligne d’une silhouette, les détails d’une main. Il y a 5 ans sont apparues les premières figurines imprimées en 3D qui ont fait couler beaucoup d’encre. Si l’envie vous en prend, vous pouvez donc passer commande de votre double en miniature ou de votre personnage préféré de dessin animé.

Des objets utiles au quotidien

On imprime en 3D des bibelots, des bols, des tasses, des vases et autres contenants divers, des pièces de réparation, des chandeliers… L’objet utile le plus souvent demandé est la coque de protection pour iPhone, smartphone ou téléphone portable, que l’on peut personnaliser à son goût. A titre indicatif, vous payerez environ 30 euros pour cette dernière prestation.

Des maisons

Et oui, l’impression 3D béton existe et on s’en sert pour construire de véritables maisons (les immeubles sont à l’essai). Evidemment « l’engin » est imposant et se déplace sur des rails, il ne s’agit pas là de l’imprimante 3D que l’on installe sur un bureau. C’est ainsi qu’aujourd’hui une entreprise asiatique peut fabriquer 10 maisons en une journée. Rendez-vous compte, on parle ici de volumes d’impression pouvant aller jusqu’à 140 m2.

Un avenir prometteur

L’impression 3D séduit tous les secteurs d’activité. Le marché est en pleine expansion et devrait continuer de grimper dans les années à venir.

Quels matériaux peut-on utiliser pour imprimer en 3D ?

L’impression 3D ne se contente pas d’utiliser un seul matériau, le plastique. Elle s’appuie sur de nombreux consommables de base, que l’on peut classer en quatre catégories : les plastiques, les métaux, les céramiques et les matières organiques. Chaque procédé d’impression s’accompagne de son propre type de matériau.

Les plastiques

Le PLA( acide polyactique)

Ce matériau est très répandu dans l’impression 3D à dépôt de filament fondu. Il provient de matières telles que l’amidon de maïs, les racines de manioc ou encore de betterave, origine végétale qui en fait un consommable écologique et non toxique. Il a l’avantage de pouvoir être utilisé pour produire des objets en contact avec la nourriture, tels que des assiettes. Cependant, il est sensible à l’eau et à la chaleur ; en contact répété avec l’un ou l’autre de ces éléments, il risque de se dégrader. Sa température d’impression s’étage entre 190 et 210 °C, et le plateau chauffant n’est pas nécessaire.

L’ABS acrylonitrile butadiène styrène)

Ce matériau issu du pétrole est également très utilisé dans la technique de dépôt de matière fondue. L’exemple type est celui des briques LEGO. Il a des propriétés plus intéressantes que le PLA en termes de résistance à l’eau ou à la chaleur. Son rendu est également plus lisse, ce qui requiert moins de traitement à la sortie de l’imprimante. Il est en outre très apprécié pour sa force et sa souplesse. Sa température d’impression varie de 200 à 250 °C, et un plateau chauffant est indispensable pour ne pas qu’il se rétracte en refroidissant. Il est disponible en de nombreuses couleurs.

Les matériaux de support (PVA et HIPS)

Le PVA (alcool polyvinylique) est lui aussi requis dans les impression 3D utilisant le dépôt de filament fondu ; son avantage est d’éviter les supports imprimés dans le même matériau que celui de la pièce, souvent ardu à éliminer. Il est en outre biodégradable, pouvant se dissoudre à l’eau. Il est donc très souvent utilisé pour le raft, c’est-à-dire le support soutenant la pièce sur le plateau pendant l’impression afin d’assurer sa stabilité. Il en est de même pour le HIPS (high-impact polystyrene, ou Polystyrène Haut Impact), qui se dissout quant à lui avec du D-Limonene, un solvant.

Les polyamides (PA)

Ces consommables sont utilisés dans la technique du frittage laser (SLS), pour laquelle ils se présentent sous forme de poudre. A la fois résistants et élastiques, ils requièrent une température de fonte allant de 235 à 260 °C, et n’ont pas nécessairement besoin d’un plateau chauffant. La plupart d’entre eux sont compatibles avec des aliments ; ils sont aussi très appréciés pour des mécanismes et engrenages, grâce au niveau élevé de détails qu’ils offrent. Une fois sculptées, les pièces peuvent être colorées en étant plongées dans un bain de teinture.

Les métaux

Ces matériaux sont très répandus dans les industries aéronautique, automobile et bio-médicale, et peuvent passer par des procédés d’impression tels que le frittage sélectif laser (SLS), le frittage laser direct de métal (DMLS) ou encore le E-Beam (EBM).

L’aluminium

A la fois léger et solide, il résiste bien à la corrosion et peut être soudé. Il est très utilisé dans les domaines où la faiblesse du poids est essentielle (pièces mécaniques des voitures de course, aéronautique, aérospatiale, vélos). On le trouve généralement sous forme d’alliage avec d’autres métaux qui améliorent ses propriétés physiques et mécaniques ; un exemple classique est l’Aluminium AlSi10Mg, constitué en outre de magnésium et silicium.

L’alumide

Mélange de polyamide et d’aluminium, ce matériau crée des pièces à la fois solides et flexibles, qui offrent une haute résistance à la chaleur. Les objets, produits par frittage laser, requièrent ensuite différentes finitions comme le polissage ou le meulage.

L’acier

L’acier fut le tout premier métal utilisé dans l’impression 3D. On trouve principalement de l’acier inoxydable, aussi appelé inox, très répandu grâce à ses bonnes propriétés mécaniques et son rendu poli et brillant. Il existe également des pièces en bronze ou en or qui utilisent l’inox comme matériau de base. On trouve également l’acier d’outillage Maraging, proposé par la société EOS, qui se caractérise par sa grande solidité, sa dureté et sa haute résistance à la rupture ; il est principalement destiné à la fabrication d’outillage rapide (découpage, extrusion…) et de moules.

Le titane

Excellent compromis entre solidité et légèreté, il est en outre biocompatible et oppose une grande résistance à la corrosion. Ces qualités en font un consommable fort répandu dans les domaines de la médecine et de l’aérospatial. En outre, l’impression 3D offre un rendu meilleur que les techniques traditionnelles, évitant les impuretés qui se forment lors de la phase de soudure. Il est cependant d’un coût très élevé, environ 50 fois supérieur à celui de l’acier.

Les céramiques

Dans cette famille, on trouve par exemple le sable, principalement utilisé pour fabriquer des moules de fonderie, le béton, le marbre ou encore la pierre. Les objets céramiques peuvent être imprimés selon la technique du frittage sélectif par laser (SLS), au moyen d’une poudre sèche préalablement comprimée, ou bien par solidification du matériau en état liquide.

Les matières organiques

Dans cette dernière famille, on trouve principalement les cires, utilisée par exemple pour le moulage en fonderie, pour des pièces mécaniques ou encore pour des pièces d’art et des bijoux. De manière plus surprenante, ont été créés des objets à base de chocolat, de bière ou encore de sucre. Enfin, il ne faut pas oublier les tissus humains, fabriqués à partir d’une structure en gel sur laquelle les cellules vivantes sont injectées ; néanmoins, cette technologie est limitée par la difficulté d’alimenter de manière constante en sang les cellules pour leur permettre de rester vivantes.

Fonctionnement d’une imprimante 3D : les différents procédés

L’impression en 3D est un outil de plus en plus répandu qui peut permettre la réalisation de nombreux objets. Mais encore faut-il choisir la bonne méthode selon ses projets, son budget et ses attentes. En effet, si l’on parle souvent d’impression 3D dans un sens générique, il existe en réalité plusieurs façons de faire. La plupart peuvent se retrouver dans l’une de ces deux grandes catégories : le dépôt de matière ou la solidification par la lumière. Mais quoi qu’il en soit, elles ont toutes en commun le travail par couches successives et la nécessité de recevoir via un logiciel 3D les coordonnées de l’objet à créer.

Tous ces procédés de fabrication répondent à des acronymes difficiles à retenir, mais nous allons les découvrir plus en détail afin qu’ils n’aient plus de secret pour vous !

Le dépôt de filament fondu ou FDM

Souvent appelé FDM (pour Fused Deposition Modeling), c’est le fonctionnement le plus répondu, notamment pour les imprimantes grand public.

Comme son nom l’indique, il s’agit de déposer des couches de matière les une sur les autres pour créer l’objet. Pour cela, la machine va faire fondre à approximativement 200° un fil de plastique qui est déposé grâce à une buse d’extrusion sur le plateau d’impression. Au fur et à mesure de la création, cette plate-forme descend pour permettre à la buse de rajouter de nouvelles couches qui vont fusionner avec celles d’en dessous.

Ce système est celui que l’on retrouve dans une majorité des imprimantes 3D dites personnelles. Les bobines de fil plastique (souvent PLA ou ABS) sont abordables et offrent un grand choix de couleurs, ce qui rend ces machines idéales pour du loisir ou des prototypes simples. Pour un résultat plus lisse, ces objets peuvent même être légèrement poncés.

Toutefois, il est intéressant de noter qu’en plus des filaments plastiques, de nouveaux matériaux commencent à apparaître pour ce procédé. On trouve en effet des fils métalliques (du cuivre par exemple), en fibres de carbone et même, plus surprenant, en bois !

La stéréolithographie ou SLA

Avec la SLA (pour Stéréo Lithographie Apparatus) inventée en 1986, il n’y a pas de matière chauffée et déposée : ici c’est à l’aide d’un laser que l’on va faire durcir du photopolymère liquide photosensible. Ce dernier se trouve dans un bac qui comporte un plateau servant à supporter l’objet au fur et à mesure de sa fabrication. Le laser va cibler les zones indiquées par le fichier 3D en procédant par couche, les rayons permettant de figer la matière à cet endroit. Une fois la première épaisseur terminée, la plate-forme va descendre légèrement pour submerger la pièce solidifiée dans le liquide afin de permettre aux ultra-violets de faire durcir une seconde épaisseur de photopolymère par dessus. Et ainsi de suite.

Une fois imprimé, il faut encore rincer l’objet à l’aide de solvant pour s’assurer qu’il ne reste plus aucune trace du liquide puis on le passe au four pour lui donner une rigidité plus durable. La qualité de rendu est excellente, avec des surfaces très lisses et bien définies. Malgré cela, les créations en stéréolithographie reste assez fragiles, plus onéreuses qu’avec la FDM et le choix en matériaux est limité. Sa complexité de réalisation en fait un procédé plutôt destiné à des ateliers industriels.

Le frittage laser ou SLS

Pour le frittage, on utilise également un système de laser, mais cette fois-ci le liquide est remplacé par une fine poussière de différentes matières (plastique, céramique, métal ou même verre).

Cette poudre est répandue en légère couche sur le plateau à l’aide d’un rouleau, puis le laser vient cibler les zones voulues. Une nouvelle épaisseur est étalée, le rayon fusionne une fois encore les parties désirées qui se colle à la première couche. L’opération est répétée jusqu’à ce que l’objet soit complet.

Cette méthode permet d’obtenir des résultats d’une grande qualité et variété. De plus, la matière non-utilisée peut être récupérée pour une prochaine impression, ce qui évite le gaspillage !

Une fois brossés pour les débarrasser de l’excédent de poudre, les objets réalisés peuvent être poncés et même peints. Cette possibilité permet donc un rendu avec autant de couleurs que l’on souhaite, pratique pour des objets très détaillés par exemple !

Le procédé PolyJet

Pour cette méthode, on retrouve le principe de la photopolymérisation comme pour le SLA. Mais ici des jets de matières sont envoyés directement sur les zones définies par le fichier d’impression, puis durcis grâce au passage d’une lumière à rayons ultra-violets. Il n’y a donc pas besoin d’un bac d’immersion.

Gros avantage : il n’est pas nécessaire de traiter le produit une fois terminé, pas de rinçage ou de cuisson à prévoir !

Le procédé DLP

Cette technique permet d’atteindre une très haute précision, nécessaire dans les travaux délicats comme la réalisation de prothèses médicales ou la joaillerie. Elle fait appel à la solidification d’un polymère liquide comme pour la SLA, mais au lieu d’utiliser un laser qui va passer sur chaque zone à durcir, la DLP projette l’ensemble de l’image de la couche sur la matière.

Cette façon de faire a comme avantage d’être beaucoup plus rapide, car une épaisseur entière est imprimée à chaque fois, le laser n’ayant pas besoin de se déplacer. Seul le plateau de support se déplace verticalement pour permettre d’ajouter de nouvelles couches.

L’histoire de l’impression 3D

L’impression 3D : bien au-delà d’une simple impression

Tout le monde ou presque sait en substance en quoi consiste l’impression 3D mais peu de gens savent que cette technologie existe depuis plus de 30 ans. Nous vous présentons dans ce dossier les grandes étapes de l’histoire de l’impression 3D, invention qui a connu – et connaît encore – une évolution étonnante et fort intéressante.

Tout a commencé en… 1860

En 1860, le photographe et sculpteur français François Willième concocte une méthode qui associe à la fois photographie et sculpture (photosculpture) dans le but de reproduire la réalité. Sa méthode se résume à la prise d’une multitude de clichés autour d’un objet qui donne un effet tridimensionnel. Et en 1892, une méthode de stratification de cartes topographiques est imaginée et mise en œuvre par Joseph E. Blanther.

Plus près de nous

En 1972, la production de pièces en couches voit le jour chez Mitsbushi Motors suite à la proposition de l’utilisation de matériaux photodurcis, autrement appelés photopolymères. En 1981, Hideo Kodama de l’Institut de recherche industrielle de Nagoya présente le premier rapport concernant un procédé de prototypage à l’aide de photopolymère. Un modèle couche par couche a ainsi été créé, chacune des couches équivalant à une tranche en coupe transversale.

En 1982, trois firmes – Alcatel, Cilas et CNRS – ont breveté le principe de l’impression 3D. Mais Alcatel et Cilas ont quitté le navire trois semaines avant la conclusion du brevet, faute de pouvoir établir une raison d’être à cette invention! En 1984, l’américain Charles Hull, fondateur de 3D Systems, met au point la stéréolithographie (SLA), invention brevetée trois années plus tard, en 1987. La technologie repose sur l’utilisation d’un laser pour graver un modèle 3D dans un liquide spécial (photopolymère). Cette première imprimante 3D nous fera connaître, en 1988, le premier modèle de série, la SLA-2502, utilisé essentiellement par les industries souhaitant créer des objets dans le but d’évaluer leur design avant de procéder à la production de pièces en série. En 1991, la société Stratasys présente la première machine au monde de modélisation par dépôt de fil fondu (FDM). En 1992, la firme 3D Systems met en œuvre sa première machine d’impression 3D SLA tandis que DTM propose la première machine à frittage sélectif par laser (SLS). Si le rendement de ces machines laissait quelque peu à désirer à l’époque, le potentiel était incontestable. En 1997, c’est au tour de la société Aeromet de mettre au point la technologie Laser Additive Manufacturing (LAM). Ce processus rend possible l’impression directe d’objets en titane en trois dimensions sans avoir recours à l’utilisation de moules ou de matrices.

Le milieu de la santé profite aussi de l’impression 3D. En 1999, des scientifiques réussissent à imprimer en 3D le premier organe – une vessie – à être implanté chez l’être humain. Ce défi constitue une avancée majeure dans l’univers de la médecine, ouvrant la voie à des perspectives novatrices. En 2002, on assiste à l’impression d’un rein miniature en 3D, apte à filtrer le sang et à diluer l’urine. En 2008 , la toute première prothèse de jambe est produite en 3D, en 2010 , le premier vaisseau sanguin est imprimé à l’aide d’une bio-imprimante commercialisée par Organovo et en 2012, en Hollande, LayerWise utilise la technologie 3D pour l’impression d’une première mâchoire.

Revenons maintenant au début des années 2000, entre 2000 et 2002, où l’on retrouve la création de la première imprimante 3D à jet d’encre, celle multicolore réalisée par Z Corp. et de bureau par Solidimension.

L’année 2008 marque la création de sites Web. D’abord Shapeways, un site de collaboration qui vise à mettre en relation inventeurs, designers et particuliers, puis Thingiverse, site créé par MakerBot pour le partage libre de fichiers 3D. La firme rend aussi disponibles aux particuliers en 2009 des kits open-source pour construire leurs propres imprimantes 3D.

Nous avançons dans le temps et la technologie en fait tout autant. En 2011, le premier drone, Sulsa, a été imprimé en 3D à l’aide de la technique SLS, Kor Ecologic imprime la première voiture en 3D, Urbee et i.materialise.com offre l’impression de produits en or ou en argent. En 2013 , le stylo d’impression 3D, le 3 Dooldler, inventé par Louis DeRosa, voit le jour. Et en 2014, la NASA expédie la première imprimante 3D défiant l’apesanteur dans l’espace.

Une foule de nouvelles idées en matière d’impression 3D, certaines réalisables, d’autres moins, continuent de germer dans la tête d’inventeurs de tous acabits. Et parce que leur prix de vente a beaucoup chuté au fil des années, les produits d’impression 3D sont devenus progressivement accessibles aux particuliers qui sont maintenant pour les fabricants une nouvelle cible des plus profitables.