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Impression 3D et Imprimantes 3D

publié le , mis à jour le

Responsable : Anthony W. COLEMAN et Laurent MOLLET

LES BASES de L’IMPRESSION 3D

L’impression 3D est une technique de fabrication numérique dite additive. Il s’agit en fait d’additionner une multitude de couches d’un matériau donné afin de créer un objet en 3 dimensions.

Figure 1 : Processus d’impression 3D

LA MODELISATION 3D

Pour réaliser ces objets, les imprimantes 3D fonctionnent à partir de commandes numériques basées sur les informations topographiques contenues dans un fichier d’impression 3D. Elles viennent ajouter ou figer de la matière à différents emplacements, permettant ainsi de construire le volume de l’objet selon un procédé d’empilement. Chaque fichier d’impression est donc divisé en tranches et reconstruit couche après couche. L’impression 3D vient « matérialiser » ces informations digitales, c’est une transcription du numérique dans le physique. La conception d’objets change totalement avec l’impression 3D. Plutôt que de retirer de la matière comme dans les procédés de fabrication traditionnelle, les imprimantes 3D en ajoutent.
Pour comparer, imaginez un pain tranché. Posez une tranche de pain à plat et reconstituez votre pain en superposant chacune des tranches. C’est exactement ce que fait l’imprimante 3D pour fabriquer un objet.
Les informations descriptives de la forme de l’objet doivent être contenues dans un fichier, appelé fichier 3D. Il peut être obtenu par création grâce à un logiciel de Conception Assistée par Ordinateur (ex : Inventor Professional, SolidWorks, Free CAD,…) ou bien par un procédé de capture en 3D d’un objet déjà existant (comme le scan).La méthode la plus simple si vous n’avez ni les moyens ni la compétence technique, c’est de récupérer directement votre fichier sur une plateforme de partage. Il existe une multitude de sites web proposant gratuitement, ou pas, ce genre de modèles.

Figure 2 : Logiciel Autodesk Inventor Professionnal 2017

LE FORMAT STL

Quel que soit la méthode que vous avez choisie ci-dessus, votre fichier 3D devra être exporté au format STL (Standard Tessellation Language) pour que l’impression puisse se lancer. Inventé par 3D Systems ce format ne sert qu’à transmettre la géométrie de surface de votre objet. Le fichier qui est exporté se présente sous la forme d’un maillage composé de plusieurs triangles déterminant le volume de votre objet dans l’espace. Il faut veiller à ce que ce maillage soit bien fermé pour que celui-ci soit considéré comme solide, de plus sa qualité est importante car jouant sur le résultat final de votre impression.
Avant de lancer l’impression il reste une dernière opération. Un logiciel va devoir découper en plusieurs tranches ce fichier STL, chacune d’entre elles représentant une portion du modèle à imprimer. Plus la résolution sera mince plus il faudra de tranches et donc plus se sera long. Si vous avez par exemple une résolution de 50 µm (5 tranches/mm) cela correspond à 50 tranches par cm. C’est également à ce moment qu’est calculée la densité de votre pièce, c’est-à-dire la quantité de matière qu’il va être nécessaire pour la remplir ainsi que l’épaisseur de sa surface externe.
En général chaque imprimante a déjà son propre logiciel de tranchage intégré (parmi les plus courants on retrouve Cura, Slic3r, …). Le fichier tranché se fera exclusivement dans le format G-code qui est un langage de commande presque universel à toutes les machines-outils.

Figure 3 : Logiciel de tranchage Slic3r

Pour d’autres objets tels que par exemple des figurines ou une fusée, une structure de soutien (sorte d’échafaudage) sera nécessaire pour soutenir la pièce durant l’impression. C’est le logiciel de tranchage qui détermine l’emplacement de ces supports et la quantité de matière à déposer selon une trame bien précise pour pouvoir l’enlever plus facilement une fois l’impression terminée.

Figure 4 : Elément nécessitant des supports d’impression


Les différentes technologies pour l’impression 3D

Actuellement, deux types de technologies pour l’impression 3D sont présentent au laboratoire.

1. Fused Deposition Modeling (FDM)

La technologie de modélisation par dépôt de fil en fusion est une méthode de fabrication additive puissante brevetée par Stratasys.
La technologie FDM permet de réaliser des modèles, des prototypes fonctionnels et des pièces finales dans des thermoplastiques standards, d’ingénierie ou haute performance. Il s’agit de la seule technologie d’impression 3D professionnelle qui utilise des thermoplastiques pour la fabrication. Ainsi, les pièces offrent des performances mécaniques, thermiques et chimiques inégalées.

Figure 5 : Schéma de principe de la FDM.

Figure 6 : Gauche : Imprimante Luzbot® TAZ Mini. Droite : Plaque 24 puits compatible avec les spectromètres 96 puits.

Les polymères les plus utilisés pour la FDM sont le PLA (Acide Polylactique), l’ABS (Acrylonitrile butadiène styrène) ou le PET (Polytéréphtalate d’éthylène).
Ils se présentent sous forme de filament de 1.75 ou 3 mm de diamètre, et peuvent être naturels ou colorés, ou/et posséder une spécificité telle que la flexibilité, la conductivité, la porosité, la réactivité au UV ou être antimicrobien / sans perturbateurs endocriniens.
Aujourd’hui il est également possible d’imprimer des polymères composites, principalement à base de PLA, comme la pierre, le bois ou le bronze.
Bien que ces polymères offrent l’esthétique et la densité du matériau représenté, ils n’ont toutefois pas ses caractéristiques intrinsèques.
Les supports des éléments sont souvent imprimer en PVA (Alcool polyvinylique) soluble dans l’eau. Cela permet de les supprimer plus facilement et sans trace.

  • 2. StereoLithography Apparatus (SLA)

La photopolymérisation est le premier procédé de prototypage rapide à avoir été développé dans les années 1980. Le nom de SLA (pour StereoLithography Apparatus) lui a été donné. Il repose sur les propriétés qu’ont certaines résines à se polymériser sous l’effet de la lumière et de la chaleur.
La résine utilisée est généralement un mélange de monomères acrylates ou époxy et d’un photoinitiateur. Le rôle du photoinitiateur est, comme son nom l’indique, d’initier la polymérisation du matériau sous l’effet de la lumière.
Dans ce procédé, une plateforme mobile est plongée dans une cuve de résine liquide. Cette plateforme supporte le modèle en cours de fabrication. La plateforme est positionnée à une profondeur H en dessous du niveau de la résine. Un laser fixe et un dispositif de contrôle du faisceau surplombent la plateforme. Le contrôle de la direction du faisceau s’effectue à l’aide de déflecteurs qui sont des miroirs très précis (très plats) montés sur des galvanomètres. L’utilisation de deux de ces dispositifs de contrôle permet de diriger le faisceau en n’importe quel point de la plateforme.
Les tranches constituant le modèle sont ensuite traitées une par une : le faisceau laser balaie la surface de résine liquide en fonction de la forme de la tranche définie informatiquement.
Sous l’effet de la lumière, le photoinitiateur forme un radicalaire et les monomères sont instantanément pontés entre eux formant un polymère solide.
La plateforme descend ensuite d’une hauteur h (La hauteur h est la résolution qui a été choisie pour la production de l’objet) et le processus se renouvelle pour chaque tranche. Les objets deux dimensions ainsi produits sont superposés pour produire la structure complète.
Une fois terminé, le modèle est sorti de la cuve et le mélange non polymérisé est dissous dans un bain d’Isopropanol.

Figure 7 : Principe de la Technologie SLA.

Figure 8 : Gauche : Imprimante Formlabs® Form 1+, Droite : Figure 3 : Bloc 4 Puits Thermostat et Bloc 4 Puits Interconnectés

Le polymère utilisé pour le SLA est le PMMA (Polyméthacrylate de méthyle).
Le PMMA possède de nombreux avantages dont deux principaux : il est transparent et résistant.
Il se présente ici sous forme d’une résine photopolymérisable qui est déposé dans la cuve amovible de l’imprimante.
Tout comme les filaments de la technologie FDM, la résine peut être colorée et/ou posséder des spécificités telle que la flexibilité ou une haute résistance aux chocs.

Figure 9 : Pièce d’échec imprimée en Résine Claire, Blanche, Grise et Noire.

Il existe aussi des résines spécialement conçus pour des domaines d’activité comme une résine calcinable utilisée en joaillerie ainsi qu’une résine biocompatible de Classe 1, pour la chirurgie dentaire imprimable sur le modèle Formlabs® Form 2.

Figure 10 : Résine Dental SG biocompatible.

Limites et avantages de cette technologie

  • Problème des « volumes piégés ». Le principe étant de superposer des couches successives de matière ; la matière présente dans les zones non solidifiées n’est pas éliminée et donc reste présente dans le modèle. S’il s’agit d’un volume hermétiquement clos, la matière est dite "piégée". Exemple : La modélisation d’une coquille d’œuf.
  • Avantage : les progrès technologiques permettent maintenant de travailler en haute résolution et de produire en moins de 24 h des objets complexes comportant des parties très fines (0,005 mm).
  • 3. Autres technologies d’impression existantes

CLIP (Continuous Liquid Interface Production)

La résine liquide est solidifiée à l’aide d’un laser ultraviolet, en provoquant une photopolymérisation dans un environnement dont la teneur en oxygène est contrôlée.
L’impression CLIP introduite par Carbon3D s’inspire d’un procédé additif bien connu de la stéréolithographie.
Cette technique d’impression serait l’une des plus rapides, réduisant la durée d’impression à quelques minutes au lieu de quelques heures pour un objet de même taille.

SLM (Selective Laser Melting)

C’est la technique la plus utilisée pour faire des pièces métalliques.
Elle offre un bon compromis entre précision et dimensions.
Son nom français est Fusion Laser.

SLS (Selective Laser Sintering)

Cette technique est similaire à la stéréolithographie, mais une poudre est utilisée (au lieu d’un photopolymère liquide).
Un laser puissant solidifie localement la surface de poudre et l’agglomère aux couches précédentes par frittage.
Une nouvelle couche de poudre est ensuite étalée et le processus recommence.
Pour la fabrication de pièces métalliques, il s’agit de l’ancêtre de la fusion laser.

MJM (Modelage à jets multiples)

Cette technique consiste à déposer une couche de résine (du plastique type acrylate ou polypropylène) liquide de la même manière qu’une imprimante à jet d’encre avec une épaisseur de 2/100 à 4/100 de mm.


Sites internet des imprimantes 3D et des fournisseurs de consommables
formlabs
lulzbot
xyzprinting
makershop
filaments

Références
sculpteo
primante3d
stratasys
jean-marielaly.blogspot
wikipedia