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Initiation à l’impression 3D : support de cours

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En juin dernier, j’ai eu le bonheur de donner un atelier de 2 heures d’initiation à l’impression 3D au Faclab.

Pour les animateurs des EPN et des tiers lieux désireux de mener des ateliers d’initiation, je partage ici le plan de cours qu’ils pourront abonder et modifier selon leurs besoins pédagogiques.

Je serai, bien évidemment, heureux de connaître leurs ajouts, améliorations et mises à jour. N’hésitez pas à mettre un commentaire, ça fait toujours plaisir. Bonne lecture.

NB : l’atelier a été mené avec une imprimante de type Ultimaker 2 couplée au logiciel de tranchage (slicer) Cura.

Introduction : les nouveautés offertes par l’impression 3D

Pourquoi parle-ton de révolution ?

Premier échange avec les participants pour sonder leurs connaissances sur le sujet.

  • Mouvement planétaire rendu possible grâce à la force d’Internet et de la globalisation ;
  • Changement du mode de production = fabrication additive et décentralisée ;
  • Automatisation de tâches = gain de temps et d’argent, mais aussi perte d’emplois ;
  • Reprise d’une part d’autonomie grâce à la fabrication personnelle ;
  • Lutte contre l’obsolescence programmée (cf Boulanger avec Happy 3D et les pièces détachées téléchargeables gratuitement en licences libres de droits) ;
  • … d’autres perspectives et conséquences que l’avenir nous dira !

Rapide historique

Voir l’article que nous avons publié à ce sujet Impression 3D : quelques repères historiques.

Premiers brevets dans les années 80 et 90 : 1984 (SLA), 1989 (FDM), 1993 (3DP).

2005-2007 : le projet RepRap ouvre des nouvelles perspectives pour le grand public.

Les grands principes et techniques

Voir le détail de ces techniques dans notre article Impression 3D : toutes les techniques.

  • La solidification par la lumière (photopolymérisation) ;
  • L’agglomération par collage (liage de poudre) ;
  • Le dépôt de matière fondue (FDM).

La chaîne de production 3D

Trois grandes phases :

1/ La CAO/modélisation 3D (STL) > 2/ Le tranchage (Gcode) > 3/ L’impression

La modélisation 3D

1.1 Les logiciels de modélisation 3D

Paramétriques ou volumiques, les logiciels de modélisation 3D sont capables de fournir un format nommé STL (pour StereoLithography, procédé créé par 3D Systems) qui est devenu un standard dans le champ de l’impression 3D.

Ce format ne comporte notamment pas d’informations concernant :

  • la couleur ;
  • la texture ou les autres paramètres habituels d’un modèle de CAO.

Une prise en main rapide de Tinkercad est prévue pour modéliser une petite pièce en 3D. En cas d’effet démo, l’alternative est d’aller chercher une pièce sur une plateforme de téléchargement de fichiers STL (Thingiverse par exemple).

Tinkercad a montré ces derniers temps des anomalies (difficulté ou impossibilité à se connecter, comportements anormaux, non accès à la création de fichier…).

C’est malheureusement le plan B que nous avons choisi : Tinkercad nous a boudés. Par bonheur, Jacques a proposé d’imprimer un vase qu’il avait modélisé sur Blender.

1.1.1 Les logiciels paramétriques

Quelques exemples de logiciels abordables et gratuits

1.1.2 Les logiciels volumiques

Les logiciels grand public :

Les logiciels abordables :

Les logiciels les plus complexes :

1.2 Les alternatives pour les non-modeleurs

Le but est de faire découvrir les principales plateformes où l’on peut faire son marché, mais nous nous concentrons sur Thingiverse.

1.2.1 Plateformes de partage et de téléchargement de fichiers STL

Pour plus de liens, voir cet article sur aniwaa.fr.

1.2.2 Les moteurs de recherche de fichiers 3D

1.2.3 La numérisation d’objets existants par scans 3D

Voir différents types de scanners sur primante3d.com

2. La préparation du fichier STL par tranchage (Cura)

Rapide tour d’horizon des logiciels de tranchage (ou slicer) : Repetier Host, Cura, Slic3r… Le Faclab possède des imprimantes Ultimaker 2 avec lesquelles on utilise le logiciel Cura.

Présentation générale de Cura et de sa fonction (traiter un fichier STL en le découpant en tranches pour un export sur une carte SD dans le langage compris par la machine, le Gcode) :

  • Choisir le modèle de l’imprimante ;
  • Importer la pièce ;
  • Choisir le mode simplifié et le mode avancé ;
  • Se déplacer autour de la pièce (clic gauche, clic droit et molette) ;
  • Vérifier l’échelle et redimensionner la pièce, si besoin ;
  • Retourner la pièce ;
  • Afficher les différentes vues et comprendre leur intérêt propre (ex. : la vue par couches pour régler le remplissage, comprendre les points problématiques de la pièce…).

Faire les paramétrages essentiels dans le mode avancé :

  • Épaisseur des couches ;
  • Épaisseur de la coque (couche périphérique de l’objet) ;
  • Remplissage de la pièce (densité en%) ;
  • Température de la tête d’impression selon le matériau (PLA, ABS…) ;
  • Comprendre l’intérêt des supports pour les éléments en porte-à-faux (problème de bridging) et les socles (brim et raft) pour l’adhérence au plateau.

3. L’impression chez soi ou dans un tiers lieu

Présentation de l’Ultimaker 2 avant impression :

  • les axes ;
  • la tête ;
  • le plateau ;
  • le guide du filament ;
  • le lecteur SD ;
  • les différents menus et les paramétrages ;
  • le temps d’impression.

Présentation des matériaux : PLA, ABS, PET, Filaflex…

Recommandations pour l’adhérence au plateau.

Conseils pour l’entretien de la machine.

4. Imprimer sans imprimante chez soi

Des plateformes spécialisées proposent, avec des procédés industriels, d’imprimer des objets à la demande :

5. Pour aller plus loin

En ligne

S’informer sur le monde de la 3D et son actualité :

La partie Learning Center du site Sculpteo est intéressante à explorer.

Et son Glossaire

Aller plus loin dans la compréhension des matériaux à imprimer

Livre

L’impression 3D de Mathilde Berchon aux éditions Eyrolles, collection Serial Makers

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Impression 3D, toutes les techniques #3 : le dépôt de filament fondu (FDM)

Dans notre panorama sur les techniques d’impression 3D, abordons aujourd’hui le procédé le plus populaire à base de filament fondu. La technique dite FDM (Fused Deposition Modeling) fait partie des plus anciennes (1989), mais elle n’est entrée chez les amateurs et les particuliers que très tardivement, lorsque le brevet est tombé au milieu des années 2000.

C’est donc aujourd’hui ce procédé qui équipe toutes les imprimantes 3D grand public.

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Il repose sur un processus très simple qui ressemblerait à celui employé dans un pistolet à colle. Un filament à base de plastique est chauffé aux alentours de 200°C (la température varie selon les matériaux employés). Il est ensuite guidé et entraîné par un moteur qui alimente une tête d’impression. Comme dans une seringue, le filament est comprimé et poussé dans la tête métallique qui se termine par une buse d’extrusion (ou extrudeur). Il sort ensuite sous une forme fondue en minuscules gouttelettes sur un plateau d’impression. Parce que le plateau est généralement chauffant, le matériau en fusion se solidifie progressivement.

Pour déposer le filament fondu, la tête d’impression se déplace sur les deux axes X et Y. Comme pour toutes les autres techniques évoquées précédemment, le troisième axe (l’axe Z) est celui qui permet une élévation de la tête qui, après avoir terminé une couche, remonte de quelques dixièmes de millimètre pour commencer une nouvelle couche et ainsi de suite jusqu’à finalisation de la pièce.

La plupart des imprimantes 3D FDM impriment en une seule couleur. Avec le temps arrivent des imprimantes multi-têtes qui offrent de nouvelles possibilités :

  • Imprimer deux couleurs ou plus (certaines imprimantes ont jusqu’à 4 têtes) ;
  • Différencier les couleurs voire les matériaux dans une même pièce. Par exemple, sur une imprimante à deux têtes, on peut imprimer une couleur avec une tête et une seconde couleur avec la deuxième tête.

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Impression 3D, toutes les techniques #1 : la photopolymérisation

Macaron jaune

On a vu dans notre article consacré à une brève histoire de l’impression 3D que cette technique ne vient pas de nulle part et ne date pas d’hier. D’abord utilisée par l’industrie, l’impression et les imprimantes 3D entrent, ces dernières années, dans d’autres sphères plus proches du grand public.

Dès qu’on parle d’impression 3D, on associe très vite les mots « révolution », « disruption » et plein d’autres néologismes qui deviennent de véritables tartes à la crème. Agaçant ou grotesque. Soit. Mais restons honnêtes, la révolution adviendra et l’aspect disruptif de ce nouveau mode de production s’imposera comme une évidence. La question centrale est de savoir à partir de quand, comment et en combien de temps les choses s’organiseront et feront norme dans nos sociétés.

C’est justement parce qu’on en parle de plus en plus que je souhaitais aujourd’hui dresser un panorama des techniques existantes pour y voir clair et comprendre où, nous, les particuliers, nous nous situons.

Une nouvelle façon de fabriquer

Jusqu’à présent, pour fabriquer un objet, on faisait appel à une ou plusieurs techniques que l’on pouvait combiner, selon les besoins et les types de pièces à réaliser :

  • Retrait de matière : sculpture, découpe, défonçage, fraisage, perçage, alésage, rognage, emboutissage…
  • Assemblage de matière : collage, tissage, soudage, emboîtement…
  • Pliage et déformation de matière
  • Fusion de matière et remplissage : moulage à chaud et à froid

Avec l’impression 3D, quel que soit le procédé utilisé, on entre dans une nouvelle ère de fabrication qui repose sur l’ajout de matière en couches successives. On parle pour cela de « fabrication additive » (en anglais Additive Manufacturing ou AM) . Cette technique inventée dans le milieu des années 80, se rapproche un peu du moulage à chaud, car elle emploie des matériaux qui sont chauffés et portés à l’état de fusion. La chaleur est donc le dénominateur commun à tous les procédés d’impression 3D.

Les quatre grandes techniques de fabrication additive

Pour bien comprendre le monde de l’impression 3D et de ses applications, il faut d’abord cerner les différents procédés employés dans l’industrie et aujourd’hui dans la vie courante. Pour simplifier, on distinguera trois techniques. Leur point commun est l’ajout de couches successives de matière. Ce qui les différencie c’est la manière dont les couches sont formées et leur coût de fabrication qui les situent tantôt dans l’univers professionnel et industriel tantôt dans des contextes amateurs, chez les particuliers et dans les tiers lieux (fablabs, hackerspaces et makerspaces).

Quel que soit leur coût, retenons, pour se situer, qu’il existe actuellement trois grandes familles de technique :

  • La photopolymérisation ;
  • Le liage de poudre ;
  • Le dépôt de filament fondu ;
  • Le laminage de papier.

La photopolymérisation

Cette technique est réservée au professionnels, car les machines utilisées sont très chères. Elle repose sur la solidification de polymères liquides sensibles aux UV de la lumière (photopolymères). La solidification est obtenue par le passage successif d’un rayon laser ultraviolet. Plusieurs procédés ont été mis au point à travers le temps et par différentes sociétés :

  • La stéréolithographie ou SLA
  • La Digital Light Processing ou DLP
  • Le PolyJet, PolyJet Matrix et le Multi-Jet Modeling (MJM)

La stéréolithographie (SLA)

De manière schématique et simplifiée à l’extrême, la technique de la stéréolithographie repose sur quelques éléments essentiels : un bac rempli de photopolymère liquide posé sur un plateau mobile qui se déplace verticalement de haut en bas après chaque passage d’un laser qui balaie la surface du bac solidifiant une très fine couche. En répétant et en superposant chaque couche, l’objet prend ainsi forme. Il est ensuite nettoyé dans un bain de solvant puis recuit dans un four UV pour gagner en solidité.

Le procédé Digital Light Processing(DLP)

Cette technique ressemble à la SLA, mais la source lumineuse diffère. Elle est quasiment similaire à celle d’un vidéoprojecteur qui envoie une lumière à rayonnement d’UV sur une puce spéciale composée de millions de miroirs microscopiques. Un système complexe de filtres permet, en une seule fois, de faire passer ou non la lumière en fonction des caractéristiques de l’objet à produire. Cette technique ne nécessite donc pas de balayage lumineux sur l’axe horizontal comme dans la SLA. Le gain de temps est de ce fait considérable.

Rapide présentation d’une imprimante DLP de la société InvisionTec :

Fonctionnement de la technologie DLP mise au point par Texas Instruments :

Le PolyJet, PolyJet Matrix et le Multi-Jet Modeling (MJM)

Ici, le photopolymère est envoyé par jets successifs, un peu comme pour une imprimante jet d’encre classique. Entre chaque couche, un traitement ultraviolet est appliqué pour faire sécher le polymère.

Sa variante, le PolyJet Matrix offre l’avantage de mixer plusieurs matériaux aux propriétés physiques et mécaniques différentes et, de fait, complémentaires. Les matériaux composites ainsi obtenus sont nommés Digital Materials.

Autre variante pour le jet d’encre : le Multi-Jet Modeling (MJM) où l’on envoie une sorte de cire chaude qui est polymérisée par UV. La société HP, bien connue pour ses imprimantes jet d’encre et laser s’est lancée dans cette voie :

La Two-Photon Polymerization (2PP)

Cette technique opère dans l’infiniment petit, car elle travaille au nanomètre avec un laser très précis à une échelle nanométrique contré sur un polymère spécial qui se solidifie uniquement sur les parties où le rayonnement est le plus fort. Les objets produits sont très petits. Ils affichent une précision extrêmement fine.

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