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Impression 3D, toutes les techniques #2 : le liage de poudre

Dans notre panorama sur les techniques d’impression 3D, penchons-nous aujourd’hui sur le liage de poudre. Comme son nom l’indique, cette technique repose sur un matériau qui se présente sous forme de poudres très fines et très variées qui, selon le procédé, seront tantôt agglomérées tantôt fusionnées à chaud. On peut distinguer trois grandes familles utilisées aujourd’hui dans le liage de poudre :

  • Le procédé Three-Dimensional Printing (3DP) ;
  • >Les procédés par « frittage laser » (SLS et DMLS) ;
  • Les procédés par lasers à électrons.

Le procédé Three-Dimensional Printing (3DP)

Cette technologie est l’ancêtre des procédés par liage de poudre. Elle a été développée par le MIT en 1993 et la première licence exploitée par la société Z Corporation date de 1995. Elle repose sur un dépôt successif de gouttelettes d’un adhésif spécial qui agglomère des fines particules de poudre de toutes sortes (polymères, métaux, céramique, etc). Avant chaque passage de la tête d’impression, un rouleau dépose une fine couche de poudre sur un plateau qui s’abaisse couche après couche.

A la fin de l’impression, la pièce est chauffée pour obtenir une meilleure finition.

Avec le procédé par laminage de papier, c’est le seul procédé qui permet d’imprimer différentes couleurs sur une même pièce, grâce à une addition de quatre couleurs qui rappelle l’impression jet d’encre 2D.

Les procédés par « frittage laser » (SLS et DMLS)

Dans la famille des techniques par liage de poudre, le frittage laser (appelé souvent « frittage de poudre » ou aussi « frittage sélectif ») est le type de fabrication additive le plus connu. On le nomme généralement par ses trois lettres, SLS pour Selective Laser Sintering.

Les imprimantes SLS possèdent un plateau qui se déplace sur un axe vertical où de la poudre est appliquée et chauffée à une température proche de son point de fusion. Par-dessus, un laser puissant passe sur la poudre pour terminer sa fusion. Une nouvelle couche de poudre est ajoutée et fusionnée par le laser de manière successive ainsi de suite jusqu’à obtention de l’objet défini par le modèle 3D. Les poudres généralement utilisées sont du polyamide, mais il est possible d’employer plein d’autres matériaux.

La variante du procédé SLS appelée Direct Metal Laser Sintering (DMLS) permet de faire des impressions dans différents métaux.

E-Beam/EBM et EBF : les procédés par lasers à électrons

E-Beam et EBM (Electric Beam Melting) sont deux autres procédés ressemblant dans leur principe aux impressions SLS. La chose fondamentale qui change, c’est la nature du laser employé. Dans ce cas, il s’agit d’un faisceau étroit d’électrons qui fusionnent des poudres métalliques.

Sa variante, l’EBF repose aussi sur un faisceau d’électrons, mais elle est plus pointue, car elle nécessite de travailler dans un environnement sans gravité. Ce n’est donc pas pour rien que cette technique a été développée par la NASA. Elle permet d’utiliser un bon nombre de métaux et de créer certains alliages.

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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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Impression 3D : quelques repères historiques

Je vous avais récemment parlé de ma formation de Facilitateur fablab au Faclab pendant six mois (de mars à septembre 2016). Comme je ne peux décidément rien garder pour moi, je vous ai dit mon désir de partager mon expérience dans un feuilleton sur ce même blog. Chose promise, chose due. Commençons par un grand classique des fablabs : l’impression 3D qui, on l’ignore souvent, ne date pas d’hier !

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Utilisée d’abord dans l’industrie, l’impression 3D servait originellement au prototypage et à l’outillage rapides. Avec ses trente ans d’existence, ce procédé de fabrication se démocratise depuis sept ans environ.

1984-2006 : De la recherche à l’impression industrielle

Cocorico ! Les pionniers de l’impression 3D sont français. En 1984, les trois chercheurs Alain Le Méhauté, Olivier de Witte et Jean-Claude André déposent le premier brevet, peu de temps avant un autre précurseur, l’américain Chuck Hull, second père de la stéréolithographie (stereolithography apparatus) et fondateur de l’entreprise 3D Systems (1986), bien connue des spécialistes de la 3D puisqu’elle est à l’origine, entre autres, du format STL (Standard Tessellation Language) et de la première imprimante 3D, la SLA-250.

Mais, comme c’est souvent le cas dans l’histoire contemporaine des techniques, c’est de l’autre côté de l’Atlantique que les inventions arrivent à se développer, car le couple Scott et Lisa Crump mettent au point en 1989 le procédé FDM (Fused Deposition Modeling) repris vingt ans plus tard par les imprimantes 3D des tiers lieux et des particuliers.

En 1993, le MIT sort, lui aussi, son procédé baptisé 3DP (Three Dimensional Printing) reposant sur un apport successif de colle liquide sur une poudre plastique. L’exploitation de cette technique sera cédée en 1995 à la société Z Corporation. On voit déjà que le terme d’ « impression 3D » commence à faire son chemin. Mais ce n’est qu’en 1996 que l’expression se popularise avec la mise sur le marché de trois imprimantes qui feront date. Chacune employant son propre procédé :

  • la Genisys de Stratasys (FDM) ;
  • l’Actua 2100 de 3D Systems (stéréolithographie) ;
  • la Z402 de Z Corporation (3DP).

2007-2016 : De la recherche à l’imprimante personnelle

Il faudra attendre le milieu des années 2000 pour voir évoluer doucement les projets d’impression 3D pour le grand public. En 2005, Adrian Bowyer de l’université de Bath (Royaume-Uni ) crée le fameux projet open source RepRap (Replicating Rapid Prototyper) qui vise à fabriquer une imprimante 3D autoréplicante (capable de reproduire ses propres pièces). Proche de la technologie FDM, la première RepRap Darwin sort en 2007 sous licence libre GNU-GPL . Cette avancée est fondamentale pour le développement d’imprimante 3D grand public. De nombreux ingénieurs, bidouilleurs, hackers et amateurs passionnés s’en emparent pour l’améliorer ou créer des forks (projets dérivés). Aujourd’hui, grâce à la RepRap, plusieurs imprimantes, sociétés et communautés ont vu le jour permettant de rendre ces machines de plus en plus accessibles.

Repères chronologiques

1984 : premiers brevets déposés en France (Le Méhauté, de Wiitte et André) et aux USA (Chuck Hull) de technologies de fabrication additive par photopolymérisation (stéréolithographie).

1986 : création par Chuck Hull de 3D Systems.

1988-1989 : SLA-250, première imprimante 3D commercialisée pour l’industrie par 3D Systems. La même année, Scott et Lisa Crump et leur société Stratasys travaillent au procédé FDM (Fused Deposition Modeling) mis au point en 1989 et tombé dans le domaine public en 2009.

1993 : création au MIT du procédé 3DP (Three Dimensional Printing)

1995 : la jeune société Z Corporation obtient du MIT la licence exclusive de la technologie 3DP.

1996 : commercialisation de trois modèles de référence d’imprimantes 3D par les ténors du marché : la Genisys (Stratasys), l’Actua 2100 (3D Systems) et la Z402 (Z Corporation).

2005 : démarrage du projet d’imprimante autoréplicante RepRap en Angleterre par Adrian Bowyer

2007 : la première RepRap Darwin voit le jour sous licence libre GNU-GPL. Elle ouvre la voie aux imprimantes personnelles.

2007 : création des premiers services d’impression 3D en ligne avec Shapeways aux Pays-Bas

2009 : création de la société Makerbot, leader des imprimantes 3D personnelles

2012 : Stratasys et Objet fusionnent

2012 : Z Corporation est rachetée par 3D Systems

2013 : Stratasys rachète Makerbot

L’histoire ne fait que commencer…

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