L'impression 3D est un univers dynamique et en constante évolution, dont la compréhension approfondie nécessite un effort constant. En tant que professionnels du secteur, nous sommes conscients que la complexité des technologies, des matériaux et des processus fait qu'il est crucial de comprendre les principaux concepts et de s'adapter aux innovations et aux défis émergents. Dans ce contexte, la mise à jour constante et l'échange de connaissances sont des piliers fondamentaux pour contribuer à l'application et au développement de l'impression 3D.

Nous avons pensé qu'il serait utile de rassembler le vocabulaire désormais riche de l'impression 3D afin de fournir une vue d'ensemble accessible à tous ceux qui souhaitent en savoir plus sur le sujet. Pour faciliter la compréhension et l'utilisation, la collection est organisée en quatre parties distinctes, chacune se concentrant sur un vaste domaine :

• #1 Additive Manufacturing et technologies d'impression 3D : le premier épisode explore les différentes technologies de fabrication additive, en essayant de mettre de l'ordre dans les nombreux acronymes existants, et offre une perspective détaillée sur les méthodes utilisées pour créer des objets tridimensionnels ;
• #2 Imprimantes 3D : dans le deuxième épisode, nous examinons en détail les différents types d'imprimantes 3D, avec un guide pour comprendre leur fonctionnement et leurs caractéristiques ;
• #3 Matériaux : le troisième numéro se concentre sur les matériaux utilisés dans le processus d'impression 3D, leurs propriétés, leurs applications et leurs performances en fonction du type d'utilisation ;
• #4 Logiciels et fichiers d'impression 3D : nous concluons par une analyse des logiciels et des formats de fichiers utilisés dans la préparation et d'impression 3D, avec des indications utiles sur la manière de gérer et d'optimiser les conceptions pour l'impression.

Le contenu évolue et est complété en permanence. Si vous souhaitez vous aussi contribuer à l'élaboration, écrivez à hello@polyd.com 

 

 

ADDITIVE MANUFACTURING ET LES TECHNOLOGIES D'IMPRESSION 3D

Commençons par distinguer les deux approches pour créer des pièces complexes et fonctionnelles :

• la fabrication additive ou Additive Manufacturing ;
• la fabrication CNC ou fabrication soustractive.

Les deux technologies sont utilisées pour générer des prototypes et des objets. L'approche diffère par la manière dont le matériau est manipulé : la fabrication additive ajoute du matériau pour construire l'objet, tandis que la fabrication CNC enlève du matériau pour obtenir la forme souhaitée.

 

CNC Manufacturing

 

Maintenant que nous avons compris le concept de fabrication CNC, voici quelques exemples :

• Fraisage CNC (Computer Numerical Control) : une fraise rotative commandée par ordinateur enlève la matière d'un bloc solide et crée des objets et des composants ;
• Tournage CNC : le tour tourne et coupe la pièce, en enlevant l'excès de matière pour obtenir la forme souhaitée ;
• Découpe au laser : le faisceau laser focalisé découpe des matériaux tels que le métal, le plastique ou le bois ;
• L'électroérosion à fil : un fil métallique fin et une action d'érosion électrique enlèvent la matière d'un objet solide, créant ainsi des pièces avec des tolérances serrées et des surfaces précises ;
• Usinage par ultrasons : un outil vibrant à ultrasons enlève la matière de la pièce à usiner ; cette technique est principalement utilisée pour les céramiques ou le verre ;
• Usinage chimique: des produits chimiques enlèvent la matière d'une surface solide, par exemple par des processus de corrosion sélective ou de gravure ;
• Sablage : l'excès de matière est enlevé par un jet de sable à haute pression. Cette technique est également souvent utilisée pour nettoyer ou polir les surfaces métalliques et plastiques ;
• Usinage traditionnel : cette catégorie comprend un large éventail de techniques d'usinage soustractif impliquant l'utilisation d'outils manuels ou mécaniques, tels que le tronçonnage, le façonnage, le limage et le ponçage.

 

Fabrication additive

 

L'impression 3D utilise aujourd'hui les termes suivants dans le langage courant - indifféremment : fabrication rapide, fabrication additive, fabrication par couches.

Le concept d'impression 3D a été déposé par Stratasys, qui l'a rendu public en 1999. La fabrication additive est aujourd'hui synonyme d'impression 3D et comprend toutes les technologies qui produisent des composants, des prototypes, des pièces ou des produits semi-finis en ajoutant de la matière couche par couche, sur la base d'un fichier ou d'un modèle 3D.
La fabrication additive comprend 5 étapes :

• la création du modèle ;
• la génération du fichier stl (pour la conversion lire .step converter to .stl) ;
• la définition des couches nécessaires ;
• la production proprement dite ;
• les processus de finition de la pièce ou du composant.

La fabrication additive fait appel à des technologies additives qui présentent plusieurs avantages :

• elles utilisent une variété de matériaux, y compris les plastiques, les métaux, les céramiques et les matériaux composites ;
• Elles offrent une plus grande liberté de conception et permettent la création de géométries et de structures internes complexes ;
• elles produisent généralement moins de déchets matériels que les technologies soustractives.

Pour une classification de base des technologies additives, nous nous référons aux normes ISO qui établissent et définissent la terminologie de la fabrication additive, divisant les techniques en 7 catégories principales :

• Extrusion de matériaux : c'est peut-être la plus connue, grâce aux imprimantes disponibles sur le marché aujourd'hui. La tête d'impression chauffe le filament et le dépose couche par couche. Des exemples de cette catégorie sont FDM ou FFF.
• Photopolymérisation en cuve (Vat Photopolymerisation) : l'impression a lieu dans une cuve contenant un liquide réactif activé par la lumière, qui brise les liaisons chimiques dans le liquide, libère des radicaux et les fait réagir avec les chaînes courtes des polymères environnants. La catégorie comprend 3SP, CLIP, DPL, SLA, etc.
• Power Bed Fusion (fusion sur lit de poudre) : un laser ou un faisceau d'électrons fait fondre ou sintériser de la poudre, appliquée couche par couche. On trouve ici par exemple DMP, DMLS, SLM, SLS.
• Binder Jetting : utilise une imprimante à jet d'encre. Les couches de poudre déposées sur le plateau sont liées aux couches successives au moyen d'un liant. Ce processus est répété couche par couche jusqu'à ce que l'objet souhaité soit formé. Lorsque la pièce est entièrement imprimée, l'excédent de poudre est éliminé. Le Binden Jetting, le MBJ et le SBI entrent dans cette catégorie.
• Material Jetting (MJ) : le MJ utilise également une tête d'impression similaire à celle de l'imprimante à jet d'encre, mais le matériau est sous forme liquide. L'un des grands avantages de cette technique est la possibilité de changer de matériau et de couleur pendant l'impression. La catégorie comprend les MJ, DOD, MJM, etc.
• Lamination en feuille : des feuilles de matériaux tels que le plastique, le papier ou la tôle sont collées en couches et le matériau excédentaire est découpé au laser ou au couteau. Cette catégorie comprend notamment SDL, LOM.
• Directed Energy Deposition : ce procédé rappelle le soudage car il permet de créer des pièces par la fusion directe de matériaux, qui sont ensuite déposés sur l'objet ou le prototype, couche par couche. Cette catégorie comprend entre autres DED, EBAM, LENS, LMP et Cladding.

Aux macro-catégories mises en évidence ci-dessus, nous ajoutons le Multi Jet Fusion (MJF) de HP® qui, en raison de la présence d'un agent de liaison et d'un agent de fusion, est considéré comme un mélange entre la fusion à lit d'alimentation et la projection de liant.

 

HP® Multi Jet Fusion (MJF)

 

Les imprimantes HP® Multi Jet Fusion (MJF), utilisées par PolyD, comptent parmi les principales technologies en termes de performances. Pour en savoir plus sur l'impression MJF, vous pouvez lire notre Guide complet de la technologie d'impression MJF.

Multi Jet Fusion est la technologie d'impression 3D développée par Hewlett-Packard (HP) en 2016, qui est devenue populaire pour sa capacité à produire des pièces avec :

• une grande qualité de surface,
• des designs géométriques complexes,
• d'excellentes propriétés mécaniques,
• la résistance des pièces,
• des détails d'impression incroyables,
• vitesse de production élevée.

Dans le processus de MJF, un lit de poudre thermoplastique, généralement du nylon, est réparti uniformément sur une plate-forme d'impression. Ensuite, une tête dépose un agent de fusion sur chaque couche de poudre, suivie d'une autre qui dépose un agent inhibiteur pour contrôler la fusion dans des zones spécifiques de l'objet. Une lampe infrarouge chauffe ensuite uniformément le matériau et induit la fusion dans les zones où l'agent de fusion a été appliqué.
Avec la dernière génération d'imprimantes MJF, PolyD a augmenté sa capacité de production et son efficacité opérationnelle :

• les processus sont désormais encore plus flexibles et optimisés,
• les coûts et les temps d'exploitation sont considérablement réduits,
• les volumes de production ont augmenté.

Pour en savoir plus sur les imprimantes HP, lisez "Solutions d'automatisation 3D".

 

1. Extrusion de matériaux

 

FDM est l'abréviation de Fused Deposition Modelling (modélisation par dépôt en fusion). Un synonyme de Fused Deposition Modelling est FFF (Fused Filament Fabrication). La technologie FDM est la propriété de Stratasys, tandis que FFF est une reproduction fidèle de la technologie opensource.

Il s'agit de l'une des technologies les plus populaires et les plus accessibles. Dans la modélisation par filament fusionné, les imprimantes 3D utilisent une extrudeuse pour déposer sélectivement des filaments sur une surface de travail, qui se solidifient pour créer l'objet tridimensionnel conçu. Pendant l'impression, la tête se déplace sur le plan en trois dimensions (axes X, Y et Z) et des supports peuvent être nécessaires pour soutenir les objets, supports qui sont fabriqués en même temps que l'objet et ne sont retirés qu'une fois l'impression terminée. Les pièces imprimées avec la technologie FDM présentent des couches visibles sur leurs surfaces, en particulier sur les pièces présentant des géométries complexes ou des angles prononcés. Le matériau le plus couramment utilisé est le filament PLA (acide polylactique) ou ABS (acrylonitrile butadiène styrène) ; le PETG, le Nylon, le TPU sont également disponibles.

Pour en savoir plus, lisez nos articles sur les avantages et les inconvénients des technologies d'impression FDM et MJF.

 

2. Vat Photopolymerization (photopolymérisation en cuve)

 

La production continue d'interfaces liquides (Continuous Liquid Interface Production - CLIP) est une technologie qui combine les principes de la stéréolithographie et de l'impression par photopolymérisation. Contrairement à l'impression par couches, elle implique la production d'une pièce par un processus d'impression continu qui solidifie la résine liquide, sans couches séparées. Cela permet d'imprimer des pièces beaucoup plus rapidement et avec une surface plus uniforme.

Dans le traitement numérique de la lumière (Digital Light Processing - DLP), un projecteur numérique projette une image 2D de chaque couche de l'objet sur un bain de résine liquide photosensible. Cette résine est polymérisée par la lumière UV émise par le projecteur, ce qui solidifie la couche correspondante du modèle. Une fois qu'une couche est solidifiée, la table est abaissée pour permettre à la couche suivante de se former, et le processus est répété jusqu'à ce que l'objet soit entièrement construit.

Au cours du processus Scan, Spin, and Selectively Photocure (3SP), un laser UV est utilisé pour polymériser une fine couche de résine liquide photosensible sur  un substrat, en fonction du fichier 3D. Le modèle est mis en rotation, ce qui permet de répartir uniformément le matériau et d'augmenter la vitesse de production. Ce cycle de numérisation, de rotation et de polymérisation sélective se poursuit jusqu'à ce que l'objet souhaité soit terminé.

La stéréolithographie (SLA) utilise des résines liquides pour créer des objets tridimensionnels. Au cours du processus de stéréolithographie, un laser UV spécial durcit sélectivement de fines couches de résine liquide. Le laser se déplace le long d'une trajectoire prédéterminée, solidifiant la résine aux endroits exacts où elle est requise par le modèle, couche par couche. Pendant le processus de fusion, des fumées sont émises, ce qui nécessite une ventilation adéquate et le respect de règles sanitaires précises.
Pour en savoir plus, lisez notre article sur le MJF, le FDM ou le SLS. Les conseils de PolyD pour votre impression 3D.

 

3. Power Bed Fusion (Fusion sur lit de poudre)

 

L'impression numérique sur métal (Digital Metal Printing - DMP) est l'impression directe sur métal, également connue sous le nom defrittage laser direct sur métal (Direct Metal Laser Sintering - DMLS). Elle permet de produire des pièces métalliques complexes et de haute précision dont la résistance est similaire à celle des objets fabriqués à l'aide de techniques de production traditionnelles telles que le fraisage et le moulage.
Le mode de production est similaire à celui de la technologie SLS : un laser fait fondre et solidifie des poudres métalliques couche par couche.

La fusion sélective par laser (Selective Laser Melting - SLM) utilise un laser focalisé de haute puissance pour fondre et solidifier sélectivement des poudres métalliques ou des alliages métalliques, couche par couche, sans l'aide de liants.

Le frittage sélectif par laser (Selective Laser Sintering - SLS) utilise un processus de fusion sélective par laser. Il est utilisé avec une variété de matériaux en poudre, y compris les plastiques, les métaux, les céramiques et les composites. Le processus SLS commence par un lit de matériau en poudre placé uniformément sur une plaque d'impression. Un laser de précision sintérise sélectivement les particules de poudre, les fusionnant couche par couche selon le modèle 3D souhaité. La technique SLS permet de produire des pièces sans support, chaque couche de poudre servant de support aux couches suivantes. La technique SLS est particulièrement adaptée à la production de pièces nécessitant résistance, durabilité et précision dimensionnelle. Toutefois, un post-traitement des pièces moulées peut être nécessaire pour obtenir des finitions de surface optimales et pour éliminer toute poudre résiduelle.
Pour en savoir plus, consultez notre article sur le MJF, le FDM ou le SLS. Les conseils de PolyD pour votre impression 3D.

Une variante du SLS est le frittage laser sélectif à micro-échelle (Micro-Scale Selective Laser Sintering, µ-SLS) ; il utilise un laser à petite échelle pour créer des pièces avec des détails microscopiques, souvent de l'ordre du micromètre. Elle est principalement utilisée pour la production de dispositifs microfluidiques, de semi-conducteurs et de composants électroniques.

 

4. Binder Jetting

 

Le Metal Binder Jetting (MBJ) implique la distribution d'une couche de poudre métallique sur un substrat, suivie de l'application sélective d'un liant liquide par l'intermédiaire d'une tête d'impression. Le liant n'est déposé que dans les zones où la solidification est nécessaire et le cycle de dépôt et de solidification se poursuit jusqu'à ce que l'objet soit terminé. Ensuite, l'objet est fritté pour éliminer le liant résiduel et solidifier les particules métalliques.

Le jet de sable et de liant (Sand Binder Jetting - SBJ) associe du sable ou des matériaux similaires à un liant pour produire des modèles ou des composants tridimensionnels. Une couche uniforme de sable est répartie sur la surface de travail ; la tête d'impression applique ensuite le liant liquide uniquement aux endroits où la solidification est nécessaire. Ensuite, l'objet peut être fritté ou traité par d'autres méthodes pour augmenter sa résistance et sa durabilité, en fonction de l'application utilisée.

 

5. Material Jetting

 

Dans le cas de Material Jetting, les objets sont construits en déposant couche après couche de photopolymère, de métal ou de cire, dans un mode ponctuel similaire à celui des imprimantes à jet d'encre. Dès que le photopolymère entre en contact avec la lumière ou la chaleur, il se solidifie. Les imprimantes à jet de matière ont deux jets d'impression, l'un pour la construction de la pièce et l'autre pour le substrat dissoluble. La projection de matière est souvent utilisée pour fabriquer des moules.

Le dépôt à la demande (Drop on Demand - DOD) utilise des têtes d'impression équipées de petites ouvertures à travers lesquelles le matériau est déposé sélectivement couche par couche, uniquement là où il est nécessaire. Cette technique peut être utilisée pour les plastiques, les céramiques et les métaux.

La modélisation à jets multiples (Multi Jet Modeling - MJM) utilise une combinaison de jets de matériaux et de liants pour produire des modèles tridimensionnels. Des couches de photopolymère sont superposées et polymérisées à l'aide d'une lumière UV. Les pièces et les composants peuvent être directement imprimés en plusieurs couleurs, dans des matériaux translucides et transparents.

Le MJM est également connu sous le nom de PolyJet. Le PolyJet, comme le SLA, utilise une résine liquide solidifiée couche par couche, mais contrairement au SLA, qui utilise un laser pour polymériser une résine liquide, les imprimantes PolyJet utilisent la lumière ultraviolette. Ces imprimantes fonctionnent comme les imprimantes à jet d'encre, mais au lieu de gouttelettes d'encre, elles utilisent des gouttelettes de plastique polymérisées avec précision par la lumière UV. PolyJet est une marque déposée appartenant à Stratasys.

 

6. Sheet Lamination (Contrecollage de feuilles)

 

Le Selective Deposition Lamination (SDL) ou lamination par dépôt sélectif implique le dépôt "sélectif" de fines couches de matière plastique sur un substrat, suivi de leur laminage et de leur fusion pour créer un objet tridimensionnel. Pendant l'exécution du processus, la matière plastique est extrudée ou déposée de manière contrôlée sur une surface de travail, en suivant le fichier 3D. Les couches déposées sont ensuite assemblées en appliquant de la chaleur ou de la pression, ce qui garantit une forte adhésion entre elles et la formation d'une structure cohésive.

Laminated Object Manufacturing (LOM) ou fabrication d'objets stratifiés utilise des couches de matériaux tels que le papier, le plastique ou le métal pour construire des objets tridimensionnels. Le processus implique la découpe sélective de feuilles de matériau et leur collage ou soudage ultérieur, couche par couche, jusqu'à l'obtention de l'objet désiré. Au cours du processus, un rouleau ou une tête de coupe commandé(e) par un logiciel de CAO est utilisé(e) pour découper les feuilles selon le profil de l'objet à imprimer. Après chaque découpe, une couche d'adhésif est appliquée entre les feuilles pour joindre les couches précédemment découpées. Le cycle de découpe et de collage est répété jusqu'à ce que le composant soit complet. Une fois terminée, la pièce peut faire l'objet d'une finition ou d'un traitement supplémentaire afin d'améliorer ses propriétés mécaniques ou esthétiques.

 

7. Directed Energy Deposition (Dépôt direct d'énergie)

 

Le Cladding consiste à appliquer une couche de matériau à la surface d'un composant existant afin d'en améliorer les propriétés ou d'en modifier l'aspect. Cette couche supplémentaire, appelée "revêtement", est constituée de matériaux différents de ceux du composant de base, tels que des métaux, des céramiques ou des composites, et est appliquée au moyen de diverses techniques, notamment le soudage, le dépôt thermique ou le dépôt chimique. Le processus de revêtement est utilisé pour améliorer la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion, la conductivité thermique ou électrique.

Le dépôt par énergie dirigée (Directed Energy Deposition - DED) commence par l'introduction d'une source de matériau, généralement sous forme de poudre ou de filament, dans une chambre de dépôt. Une fois la température optimale atteinte, le matériau est fondu et déposé sur un substrat ou une surface de travail à l'aide d'un jet contrôlé. Le matériau fondu est ensuite refondu à l'aide d'une source d'énergie telle qu'un laser à haute puissance ou un faisceau d'électrons pour fondre le matériau nouvellement déposé. Le processus se poursuit couche par couche jusqu'à ce que la forme souhaitée de l'objet soit obtenue.

La fabrication additive par faisceau d' électrons (Electron Beam Additive Manufacturing - EBAM) utilise un faisceau d'électrons pour frapper et fondre de manière sélective des particules de poudre métallique sur le substrat, en suivant le modèle 3D. Elle offre une vitesse de production plus élevée que les autres technologies métalliques et permet la production de composants de grande taille avec des détails fins et de bonnes propriétés mécaniques.

Dans le cas du Laser Engineered Net Shaping (LENS), des lasers sont utilisés pour souder des flux de poudres métalliques soufflées à l'air sur des pièces personnalisées. Un faisceau laser à haute puissance frappe un petit point sur un substrat métallique, produisant un "bassin" dans lequel une vis sans fin souffle de minuscules quantités de poudre métallique pour le remplir et en augmenter le volume.

Dans le cadre du dépôt de métal par laser (Laser Metal Deposition - LMD), un laser haute puissance fait fondre et solidifie couche par couche des poudres métalliques, des fils ou des poudres métalliques mélangées à des liants.

 

Autres technologies additives

 

La BiofabricationTM et Bio 3dprinting est une méthode automatisée qui, grâce à l'utilisation de logiciels et de matériel d'impression 3D, permet d'utiliser des cellules vivantes comme matériaux de base pour produire des tissus. La technique repose essentiellement sur trois éléments :

• la bioink, c'est-à-dire la solution composée de cellules ;
• le biopaper, c'est-à-dire la matrice bio-absorbable sur laquelle la solution est déposée ;
• la bioprinter, c'est-à-dire l'imprimante spécialement modifiée pour "imprimer" des tissus viables.

Les cellules, une fois fusionnées, forment la structure du tissu.
Cette technique est largement utilisée en médecine pour régénérer des organes, produire des tissus, développer des organoïdes et des modèles de maladies.

Le Carbon DLSTM (Digital Light Synthesis) est une technologie d'impression qui combine la photopolymérisation et l'utilisation de résines avancées pour produire des composants aux performances supérieures. Elle utilise la lumière UV pour polymériser des résines liquides, en les superposant avec précision pour créer des objets tridimensionnels.

L'impression 3D céramique permet d'imprimer des objets avec des matériaux céramiques, tels que l'argile ou les silicates. L'impression 3D de céramiques fait appel à des systèmes de fabrication additive et à des types d'imprimantes 3D qui sont également utilisés dans d'autres secteurs : extrusion, projection de liant, frittage de poudre, photopolymérisation. Des objets tels que des vases, des assiettes et des composants pour des applications industrielles sont ainsi produits.

La fusion par faisceau d'électrons (Electron Beam Melting - EBM) utilise un faisceau d'électrons projeté sur un lit de poudre métallique. Le processus de fusion et de solidification s'effectue couche par couche dans un environnement sous vide à une température d'environ 1000°C. Ce procédé est largement utilisé dans l'aérospatiale car il permet de créer des pièces de grande taille.

L'impression 3D sur lit de poudre et tête à jet d'encre (Powder Bed and Inkjet Head 3D Printing - 3DP) a été brevetée en 1993 par le Massachusetts Institute of Technology et constitue la première utilisation du terme "impression 3D" sous forme de marque déposée. Elle utilise des poudres plastiques, des céramiques et des métaux. Ce processus implique l'utilisation d'un lit de poudre comme substrat, sur lequel une encre liante est déposée de manière sélective par des têtes d'impression à jet d'encre. Les particules de poudre sont ensuite fusionnées couche par couche, en suivant le modèle 3D. Une fois l'impression terminée, l'objet est retiré du lit de poudre et peut être transformé pour améliorer ses propriétés mécaniques ou esthétiques.

 

Les contenus sont en constante évolution et sont complétés. Si vous souhaitez également apporter votre contribution en signalant des techniques d'impression 3D que nous n'avons pas prises en compte, veuillez écrire à hello@polyd.com 

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Bonne impression 3D!