Essais & Simulations n°117

Essais

Essais et Modelisation Analyse Marché Impression 3D, la signature d’une nouvelle révolution industrielle ? L’impression 3D connaît un essor sans précédent. Il suffit d’assister aux différentes éditions d’événements tels que le 3D Print Show – qui se déroulent successivement à Paris, Londres et New-York – pour voir l’importance du phénomène. Bien entendu, la large médiatisation de ce procédé pourtant pas si nouveau s’explique par l’ouverture au grand public des technologies nécessaires à faire de l’impression 3D. Mais les industriels se sentent également de plus en plus concernés par un phénomène qui, dit-on dans la sphère de la production, pourrait révolutionner toute l’industrie. Bien loin des spéculations de toutes sortes, il est important d’avoir à l’esprit que dans un futur proche, la production additive jouera un rôle prépondérant au point de devenir un élément incontournable. Mais quelles sont les raisons d’un tel essor ? « Si l’impression 3D connaît une telle croissance depuis quelques années, c’est avant tout grâce au progrès du numérique qui permet désormais de mieux gérer la machine », introduit Étienne Bernot de l’entreprise A4 Technologie, société française de vingt-cinq personnes créée au début des années 90 aux Ulis (Essonne) pour concevoir et fabriquer du matériel pédagogique destiné à l’enseignement technologique. Le directeur d’A4 Technologie ne manque pas non plus de rappeler que deux procédés de production historiques existent : « soit on taille dans la matière – il s’agit dans ce cas de l’enlèvement de matière –, soit on procède à une déformation de matière, comme le moulage par exemple. Puis s’est ajoutée la fabrication additive qui consiste à déposer – ou ajouter – de la matière. Le principe a été rendu possible grâce au numérique qui a permis de concevoir un modèle 3D (et donc virtuel) puis de le reconstituer couche par couche ». Et c’est comme ça que la première machine 3D a vu le jour dans les années 80, donnant lieu au dépôt d’un brevet en 1985. Il est ainsi devenu possible de découper un modèle virtuel en tranches fines (« slice » en anglais, selon le terme usuellement employé), puis de le reconstituer dans une machine qui dépose une matière pour reconstituer la pièce tranche par tranche, couche après couche. Une multitude de technologies Le premier brevet de 1985 fait référence au procédé de stéréolithographie de Charles Hull, aujourd’hui président du géant 3D Systems. La première machine a vu le jour à peine trois ans plus tard, mettant en œuvre un procédé qui permet de figer les résines liquides photosensibles par rayons UV pour en obtenir une pièce en résine unique. Par ailleurs, la résine UV s’appuie sur une autre technique, semblable à celle du jet d’encre dans une imprimante : ce procédé consiste Nouvelle gamme d'imprimantes 3D de table UP EASY à « cracher » des microgouttes de résine qu’une lampe UV vient ensuite figer et polymériser. Autre technique d’impression 3D : le dépôt de poudre (ou frittage de poudre). On réduit en poudre un matériau fusible que l’on dépose en couches fines. Entre chaque couche un laser vient fondre la poudre aux endroits propices pour solidifier le modèle. À la fin, on sort un modèle solide d’un bloc de poudre. Cette technique permet d’utiliser pratiquement tout matériau fusible (plastique, métaux, verre, etc.). Il s’agit d’une technologie très prometteuse, en particulier dans l’aéronautique pour des pièces en titane. Le dépôt de fil fait également Essais & Simulations • JUIN 2014 • PAGE 22

Essais et Modelisation partie des techniques d’impression 3D. C’est cette technique qui est utilisée dans les nouvelles machines compactes de table accessibles ; « il s’agit grosso modo d’un mini pistolet à colle qui fait fondre un thermoplastique à la chaleur. Le plastique fondu est déposé par une petite buse pour constituer couche après couche une pièce en volume. » Enfin, parmi les autres technologies d’impression 3D existe la strato-conception ; celle-ci consiste à empiler des plaques prédécoupées à l’aide de machines-outils de découpe. « Ce procédé présente un intérêt certain pour réaliser des pièces de grande taille avec un classique centre d’usinage ». Autre point important, un problème se pose à l’impression 3D, celui de la « pyramide à l’envers ». Concrètement, pour déposer de la matière au-dessus du vide (parties en porte-à-faux par exemple), il faut construire une sorte d’échafaudage provisoire que l’on appelle « support d’impression ». La plupart des procédés utilisent pour cela deux matières : la matière de la pièce à fabriquer et une seconde matière pour la construction des supports ; cette dernière étant le plus souvent soluble dans un solvant pour l’éliminer facilement à la fin du processus d’impression. Ainsi, les machines industrielles possèdent le plus souvent deux têtes d’impression. Une innovation importante qui a permis la production de ces nouvelles imprimantes 3D compactes et peu couteuses est la mise au point d’un procédé avec une seule matière et une seule tête d’impression pour construire la pièce et ses supports d’impression. Des astuces ont été trouvées pour que les supports se détachent facilement du modèle lui-même. Quand le grand public fait réagir l’industrie Les progrès en matière de fabrication additive ont permis à l’industrie d’avancer considérablement en passant de l’étape du simple « prototypage rapide » à celui de la fabrication par impression 3D de pièces réellement fonctionnelles. « Depuis les années 80, les technologies d’impression 3D n’ont cessé de se perfectionner ; de nouvelles techniques ont été inventées et, dans le même temps, la diffusion plus large des matériels a permis une baisse régulière de leurs coûts » se souvient Étienne Bernot. Ce mouvement s’est accéléré ces dernières années avec en particulier l’arrivée dans le domaine public des premiers brevets des années 80. C’est d’ailleurs comme cela qu’a été reprise et simplifiée la technologie du dépôt de fil pour la réalisation d’imprimantes 3D simples, compactes et relativement faciles à produire. Cela c’est fait d’abord au sein d’universités (MIT), dans un système collaboratif. Aujourd’hui on ne compte plus les laboratoires d’université, les fab lab et les Startup qui travaillent à mettre au point ou améliorer des imprimantes 3D. Ce phénomène prend de l’importance si l’on considère que cette technologie est plutôt simple et nécessite seulement une sorte de mini pistolet à colle piloté par un ordinateur et capable de se déplacer sur trois axes. Parallèlement, des logiciels libres « open source » sont devenus de plus en plus performants et accessibles. L’ancien président de Makerbot, avant de créer la première grande entreprise à produire des machines bon marché, a beaucoup travaillé avec les laboratoires. Parallèlement à ce phénomène, les grands industriels historiques du secteur de l’impression 3D s’y mettent à leur tour pour proposer des petites machines compactes et bon marché à dépôt de fil. C’est ainsi que Makerbot a été racheté l’an dernier par Stratasys, un des leaders mondiaux de l’impression 3D. De la même façon que l’Anglais BFB a été racheté par 3D Systems. Enfin, TierTime, un grand fabricant d’imprimantes professionnelles, a créé sa propre gamme de machines compactes de table en s’appuyant sur ses moyens et son savoir-faire industriel. Cet engouement pour l’impression 3D se ressent encore essentiellement auprès du grand public et des amateurs désireux de se lancer eux-mêmes dans la fabrication du produit de leurs rêves. Les nouvelles machines accessibles font découvrir au plus grand nombre l’impression 3D, jusqu’alors onéreuse et compliquée, réservée aux domaines professionnels de pointe. D’autant que la diffusion de plans et de logiciels open-source par Internet, la baisse des prix et la disponibilité « sur étagère » des composants nécessaires pour concevoir une machine 3D ont alimenté cette mouvance. Il faut noter que le plus souvent, ces machines issues de l’ « open source » sont proposées en kit pour ne répondre à aucune certification de norme. Dans ce cas, il est probable que ce modèle n’a pas d’avenir en dehors des quelques passionnés bricoleurs. Des limites restent à franchir L’intérêt de la fabrication additive réside avant tout dans les possibilités qu’elle ouvre pour réaliser presque sans contrainte et presque sans intervention humaine n’importe quelle forme, même complexe, contrairement aux procédés classiques comme le moulage ou l’usinage qui nécessitent de dessiner des pièces démoulables ou usinables. Ces procédés dits classiques mettent en œuvre aussi des machines et des outils nécessitant une formation solide des opérateurs. Par exemple, dans l’usinage, pour réaliser un trou, il faut choisir le bon foret adapté à la matière à percer, choisir la bonne vitesse de perçage, fixer correctement la pièce, régler la machine pour percer où il faut et à la bonne profondeur. Et le trou ne pourra être que rond et droit. Alors que par impression 3D, on peut dessiner un trou de n’importe quel profil et qui serpente comme on veut à l’intérieur d’une pièce ; ensuite, il suffira presque d’appuyer sur la commande « imprimer » pour que la machine réalise toute seule la pièce finie. Essais & Simulations • JUIN 2014 • PAGE 23