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Impression 3D, de votre canapé à l’industrie, parlons en !

 

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Mathieu Poncin
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Aujourd’hui nous accueillons Mathieu Poncin pour nous parler d’impression 3D.

 

Mathieu a développé sa solide expérience du milieu lors de son poste de manager du Fablab Descartes, situé dans la cité Descartes, à l’est de Paris direction DisneyLand. Ce procédé fait partie des nombreuses cordes à son arc, lui permettant de proposer aujourd’hui des solutions à haute valeur ajoutée dans l’industrie.

 

Prototypage, ou fabrication mini-série ?

Tout le monde parle d’impression 3D de nos jours, tous le monde a vu des imprimantes 3D en fonctionnement ou a un objet imprimé 3D chez lui.

Le monde de l’impression 3D est vaste. Il y a 7 ans on nous annonçait des imprimantes dans chaque foyer, au même titre que les imprimantes papier. Force est de constater que nous n’en sommes pas là. Cependant l’impression est maintenant très répandue. Chez les bricoleurs, les “maker” qui utilisent cet outil pour fabriquer des pièces uniques facilement et à un prix abordable. Mais aussi dans l’industrie, et nous allons voir comment.

Aujourd’hui ces constructeurs de machines spéciales possèdent généralement leur propre ferme d’impression

Entre effet de mode et applications réelles, essayons de démêler le vrai du faux.
Reprenons les bases de cette technique de fabrication qui est sur le devant de la scène depuis moins d’une dizaine d’année.

 

L’histoire de l’impression 3D.

L’impression 3D, née dans les années 80, d’ailleurs la paternité est “disputée” entre des Français et un Américain. Elle est restée confidentielle pendant de longues années. Pendant plus de 20 ans, ce principe de fabrication additive évolue, se perfectionne et se transforme avant de tomber entre les mains de celui qui réussira à la répliquer et à la rendre accessible à très grande échelle : Dr Adrian Bowyer à gauche sur la photo

première réplication d'une imprimante 3D
Image de la première réplication

 

Le projet emblématique RepRap vise à créer une imprimante tridimensionnelle en grande partie autoréplicative et libre (c’est-à-dire sans brevet, et dont les plans sont disponibles pour tout le monde).

Nous assisterons ensuite à une évolution exponentielle du nombre de recherche du sujet “Impression 3D” :

Graphique représentant l'évolution de la recherche "Impression 3D" sur google
Graphique représentant l’évolution de la recherche “Impression 3D” sur Google
Graphique représentant l'évolution de la recherche "3d printing" sur Google
Graphique représentant l’évolution de la recherche “3d printing” sur Google

 

Principe général

Le principe général consiste à empiler des couches successives de matière, donc des couches en 2 dimensions, afin de créer un volume c’est à dire une forme en 3 dimensions.
Il existe une quantité incroyable de techniques pour faire cela :

  • Découper des feuilles et les coller
  • Fusionner une poudre plastique, métallique ou minérale
  • Solidifier une résine
  • Déposer du plastique fondu, Chocolat, Béton, Matières organique, …
Exemple d'imprimante 3D à filament chaud et à architecture cartésienne pour l'impression 3D classique
Exemple d’imprimante 3D à filament chaud et à architecture cartésienne classique : La Cetus MK3

 

Parmi les technologies les plus connues, citons par exemple la stérolithographie (SLA), le frittage de poudre, la dépose d’un matériau thermoplastique.
C’est dans cette dernière catégorie que l’on retrouve les imprimantes les plus répandues , celles qui utilisent un fil de plastique ou filament.

 

 

 

Exemple de pièce complexe, voire même d'assemblage directement imprimé en impression 3D
Exemple de pièce complexe, voire même d’assemblage directement imprimé en 3D

 

Des avantages…

L’un des avantages de cette technique est qu’elle permet de passer très rapidement du modèle 3D à la pièce physique. De plus elle permet de créer des formes complexes souvent difficiles à réaliser par des méthodes plus traditionnelles comme l’usinage ou la fonderie.

 

… et des inconvénients.

D’un autre coté elle présente aussi beaucoup d’inconvénients inhérent à la façon d’imprimer et au matériaux utilisé.
Le matériau doit être le plus souvent “modelable”, donc soit en poudre soit fusible ou bien liquide. Donc cela limite les types de matériaux utilisables. De même l’impression par couche induit souvent une anisotropie de la structure du matériau une fois imprimé. Par exemple les pièces imprimées par filament fusible ne présenteront pas les mêmes caractéristiques mécaniques selon qu’on les sollicite suivant le plan d’impression ou suivant l’axe d’élévation.
De même l’usage de matériaux composite est compliquée. Il existe des solutions avec des plastiques chargés en fibres, carbone, bois, chanvre, etc… qui demandent des adaptations dans les températures d’impression, dans l’usure des buses etc…
Il est même possible d’imprimer des matériaux conducteurs pour réaliser un circuit électrique par exemple.

L’aspect final de la pièce peut être une problématique, son état de surface, le respect des tolérance géométriques ou encore sa couleur.

Ces avantages et inconvénient sont a affiner en fonction de la technique utilisée et il en existe un grand nombre.
En outre, pour la technologie de l’impression par filament chauffé, il existe différentes architectures, ce qui vaudrait l’écriture d’un article dédié !

Utilisation

Les utilisations de l’impression 3D peuvent être différenciées en deux catégories principales.
D’un coté on trouve les “makers” c’est à dire des modélistes, bricoleurs, bidouilleurs qui projettent leurs idées en créations concrètes en peu de temps et à peu de frais. On peut citer par exemple la réalisation d’objets utilitaires ou artistiques, de pièces de réparation ou de remplacement pour les objets et machines qui nous entourent, etc…
Les makers sont souvent regroupés en clubs et côtoient des lieux comme les fablabs pour partager les frais, ou bien avoir accès à des machines. Les machines d’impression 3D par filament de plastique sont aujourd’hui tout à fait abordables pour le particulier. La difficulté réside dans la création du modèle 3D, on peut télécharger des exemples sur des plateformes comme Thingiverse notamment. Mais aussi dans l’optimisation et le réglage de la machine. Tirer tout le parti de son imprimante peut parfois être délicat si l’on n’a aucune expérience dans ce domaine.
Citons à titre d’illustration que les makers se fédèrent autour d’évènements comme la MakerFaire qui a lieu en France à Paris à la cité des sciences et de l’industrie.

Logo de la Maker Faire Paris où se rencontrent les fans de l'impression 3D
Une excellente sortie à faire en famille avec les petits et les grands !

D’un autre coté on va trouver les applications industrielles, pour lesquelles on peut observer différentes utilisations.

Accélérer la conception

Lors des phases de conception ou de développement produit on travaille généralement avec des rendus 3D. Soit directement sur le modeleur pour les pièces mécaniques. On pourra les mettre en situation pour vérifier qu’elles respectent les différentes contraintes du cahier des charges.
Soit sur des logiciels de rendu métier qui vont intégrer des rendus réalistes des matériaux, des couleurs, des textures ou encore du jeux de lumière sur la surface du produit.

L’impression 3D offre la possibilité de manipuler le produit en réel avant de lancer la production. En effet, lorsque l’on parle de production grande échelle en plusieurs milliers, ou millions d’exemplaires, il n’est pas forcément facile de faire machine arrière pour changer un détail géométrique du produit.

Nous manipulons beaucoup d’objets chaque jour, une souris d’ordinateur, un manche de poêle, un volant de voiture et… Les designs choisis par les concepteurs ont besoin de se confronter à la réalité de l’usage. Avant de recourir à l’impression 3D on passait par une étape de modelage pour laquelle un technicien réalisait de manière artisanale une maquette 3D de la pièce voulue. Les matériaux utilisés pouvaient être du bois, du carton, du plâtre, ou encore de la résine etc…
L’impression 3D à complétement révolutionné ces pratiques puisqu’il suffit d’imprimer la pièce, autant de fois qu’on le souhaite et l’on peut passer de la conception à la manipulation très rapidement.

 

Optimisation et recherche

L’impression 3D peut être aussi d’une grande aide lorsque l’on fait de l’optimisation de procédé ou de la recherche.
Prenons le cas de la fonderie ou de l’injection. Ce procédé permet de produire en grand volume des pièces identiques.
L’un des enjeux fondamentaux lors de la fonderie et de gérer l’apport du matériaux dans le moule. Les matériaux ne présentent pas les mêmes particularités lorsqu’ils sont coulés. Un métal par exemple comme la fonte, l’acier ou l’aluminium peut présenter un retrait important en se solidifiant. C’est à dire que son volume solide est inférieur à son volume liquide. L’inverse de l’eau et de la glace par exemple. Mais dans le matériau peuvent aussi apparaître des cristaux et des défauts internes qu’il faut gérer au risque de voir la pièce finale présenter des faiblesses et rompre prématurément.

 

Illustration d'un noyau imprimé en impression 3D
Illustration d’un noyau imprimé en 3D. Crédit photo Inoxyda.fr

L’utilisation de logiciels de conception permet de simuler le comportement du métal liquide dans un moule. Comme par exemple Magmasoft. Mais cela n’est pas toujours suffisant, d’autant plus lorsque l’on travaille avec de nouveaux additifs ou de nouveaux matériaux. On va alors pouvoir optimiser le chenal de coulée, l’emplacement des retassures etc…
C’est là qu’intervient l’impression 3D. Elle va permettre de tester rapidement les paramètres de production. On imprime le moule et le noyau dans du sable de fonderie. Cela permet de tester rapidement et simplement les résultats numériques obtenus par logiciel.

 

La flexibilité de l’impression 3D pour la machine spéciale

Qu’appelle t’on une machine spéciale ?

Les constructeurs de machines spéciales conçoivent des machines généralement de petite série voire unitaire. Elles permettent de réaliser des tâches d’automatisation dans les lignes de production. Elles sont présentes dans le domaine du packaging par exemple, l’agroalimentaire, l’automobile, dans la cosmétique, la microélectronique etc…

Boites Nescafé sur un ligne de production
Les produits grands public passent par des lignes de production qui permettent de les fabriquer en larges volumes.

Il y a fort à parier que la plupart des objets qui vous entourent soient passé sur des lignes automatisées pour lesquelles il a fallut créer les machines.

Aujourd’hui ces constructeurs de machines spéciales possèdent généralement leur propre ferme d’impression 3D avec 4 ou 5 machines d’impression par filament, parfois un machine de photopolymérisation pour obtenir des pièces plus propres.

L’impression 3D permet de passer très rapidement du prototype au produit fini. Or les temps de développement des produits sont de plus en plus courts. Il n’est pas rare que l’on commence à construire une ligne de production sans avoir complètement terminé de définir le produit dont elle va réaliser la production.

Un exemple concret, le flacon de shampoing :

Prenons l’exemple d’un shampoing. La définition de la forme du flacon, du nombre de produit par boite, du packaging, etc, est définie par l’équipe responsable du produit, au niveau marketing. C’est donc souvent assez loin de la production que sont prises des décisions qui pourtant vont impacter sur la façon de la réaliser. Le bouchon doit-il être brillant avec une finition métallisée ? Il faudra alors faire attention à ne pas le rayer, donc pas de bols vibrants pour l’amenée. Le flacon doit t’il être orienté de façon particulière avec le bouchon ? C’est un poste supplémentaire sur la machine.
L’impression 3D apporte de la flexibilité dans le processus de développement de la machine. Les pièces en contact avec le produit peuvent être réalisées rapidement et à faible coût de manière à évoluer au fur et à mesure du développement de la machine.
Cela permet de faire la mise au point sans connaître exactement la forme du produit final. Certaines pièces peuvent même rester tel quel en production pour peu que les contraintes auxquelles elles sont soumises soient convenables.

L’impression 3d en production high tech

Des contraintes élevées

Imprimer une pièce en 3D pour un usage mécanique avec des contraintes de résistance, de poids, de géométrie peut se révéler être assez cher. Mais si l’on compare le coût, correspondant à la mise en place des moyens de production conventionnels pour obtenir le même résultat, la différence se situe souvent au niveau de la taille de la série. Parfois il est même impossible de réaliser les pièces en conventionnel pour des questions de formes par exemple.

Il existe des domaines pour lesquels les séries sont petites et les contraintes importantes, comme l’aéronautique, la formule 1, le spatial. Dans ce cas il peut être intéressant de disposer d’outils pour produire directement les pièces finales en impression 3D.

Des machines complexes

On trouve dans ce domaine des machines capable de travailler sur des poudres métalliques par frittage laser.

Dans ce domaine on peut citer par exemple les machines de l’entreprise AddUp.

Machine d'impression 3D par frittage de poudre. FormUp 350 de chez AddUp
Machine d’impression 3D par frittage de poudre. FormUp 350 de chez AddUp

Il s’agit d’imprimantes professionnelles auxquelles les particuliers n’ont pas accès. Le frittage à lieu par l’action d’une laser en chambre sous atmosphère contrôlée. Il faut donc gérer aussi bien la partie puissance, l’inertage sous gaz, la filtration des gaz, la gestion de la poudre très fine et donc potentiellement dangereuse pour la respiration humaine. Il s’agit donc de minis centres d’une compacité et d’une complexité élaborées.

On voit donc que l’impression 3D couvre des domaines très larges, depuis les applications chez le particulier jusqu’aux applications de pointe en industrie. En tout état de cause ce procédé de fabrication s’est maintenant démocratisé et il est pertinent de miser dessus pour le futur.

Différents business model autour de l’impression 3D

Comme on l’a vu l’impression 3D peut faire partie intégrante de votre activité, auquel cas il est tout à fait pertinent de s’équiper en matériel. Mais maîtriser l’ensemble de la chaîne de conception et de production peut s’avérer chronophage et coûteux si vous n’avez pas l’usage ou les compétences pour rentabiliser l’investissement.
C’est pour cette raison que l’on a vu fleurir en grand nombre de sociétés de service qui se proposent d’imprimer vos modèles.
Le choix du prestataire sera a effectuer en fonction de sa compétence et de son parc machine, afin d’obtenir la qualité désirée dans le budget prévu.
On peut tout de même citer deux acteurs sur le marché :

Curieux(se), envie d’en savoir plus ?

Le 3 décembre à lieu le lancement de l’exposition Technov’ du FCBA.
Vous y découvrirez notamment des applications, des technologies et des matériaux innovants pour vos projets d’impression 3D !

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