Les imprimantes 3D ont le vent en poupe depuis quelques années maintenant. C’est un marché dont la valeur fut estimée à plus de 12 milliards de $ en 2020, ce qui témoigne du fort intérêt que ces machines suscitent et confirme également leur adoption rapide par de nombreuses personnes et entreprises. La France se situe en 4e position des pays qui font le plus appel à cette technologie, après les États-Unis, le Royaume-Uni et l’Allemagne. Toutefois, le concept d’impression tridimensionnelle en lui-même peut sembler nébuleux et difficile à cerner. Pour cela, découvrez 3 points pour comprendre le fonctionnement d’une imprimante 3D.

Imprimante 3D : principe de fonctionnement global, domaines d’application et avantages

L’imprimante 3D est une machine qui permet de produire des objets par superposition de matière, également appelée « fabrication additive ». Cela se fait à l’aide d’un fichier numérique et d’un ordinateur. Le fichier sera une représentation en 3 dimensions de la pièce que l’on désire créer. Cette image tridimensionnelle est généralement obtenue grâce au dessin d’un concepteur graphique ou à l’aide d’un scanneur 3D. Différents logiciels sont utiles pour créer ce type de fichier.

L’impression 3D est utilisée dans de nombreux domaines tels que l’aéronautique, la santé, le secteur automobile, l’art… Son utilisation première et la plus répandue consiste à fabriquer des prototypes de produits. Elle sert également à la production de pièces fonctionnelles. Pour cela, des procédés divers sont utilisés pour le fonctionnement des imprimantes tridimensionnelles, selon l’objectif et l’industrie concernée. Il est possible de les regrouper en trois grandes catégories de techniques : la photopolymérisation, le liage de poudre et de dépôt progressif de matière.

Pour choisir votre imprimante 3D, il est nécessaire de connaître l’usage à en faire au préalable : personnel, professionnel ou industriel. Cela déterminera l’investissement à prévoir pour acquérir ces machines. En ce qui concerne le prix des imprimantes 3D professionnelles, rendez-vous sur le site internet d’un commerçant expérimenté pour en avoir une idée plus globale.

Assurez-vous que cette plateforme propose des machines produites par des marques reconnues mondialement pour éviter des désagréments. Il est recommandé de miser sur les entreprises qui exercent déjà depuis une dizaine d’années au moins, pour interagir effectivement avec des experts du domaine. Les produits proposés doivent être variés et adaptés aux secteurs d’activité les plus exigeants tels que la joaillerie, les prothèses auditives et le secteur dentaire.

Avantages de l’impression en trois dimensions

L’impression 3D présente de nombreux avantages dont les plus notables sont liés au coût, à la vitesse et à la conception des produits. En ce qui concerne la vitesse, recourir à une imprimante 3D permet d’accélérer le prototypage et la création d’itérations de vos produits. Cela se fait en plus sans nécessiter l’utilisation d’un moule. Le gain de temps obtenu est colossal.

Le coût de production est également réduit, car la création des objets peut se faire sans aucun autre équipement que l’imprimante tridimensionnelle. Cela permet également à votre entreprise de bénéficier d’une plus grande flexibilité en matière de quantité à produire, qu’il s’agisse de petits ou grands volumes. De plus, cette technologie permet de réduire le gaspillage. Seule la quantité de matière nécessaire pour la production de l’objet est utilisée.

Concernant la conception des objets, l’impression 3D vous offre une liberté totale. Qu’importe la complexité de votre projet, il est possible de le matérialiser exactement comme vous l’avez imaginé. Enfin, l’imprimante 3D permet également de créer des pièces sur mesure, en fonction d’une personne ou d’un besoin spécifique. Son champ d’exploitation est quasiment illimité.

L’utilisation de la solidification par lumière

Également appelé photopolymérisation, c’est une méthode d’impression 3D qui utilise des polymères à l’état liquide et capable de se solidifier au contact de la lumière. C’est l’origine de la première méthode connue d’impression tridimensionnelle qu’est la stéréolithographie et d’autres encore tels que le DLP, le Polyjet, le frittage laser.

La stéréolithographie

C’est une méthode d’impression 3D qui utilise un rayon laser ultraviolet pour la solidification de polymères liquides. Également connue sous le sigle SLA, cette technique a vu le jour en 1986. Les imprimantes fonctionnant suivant cette méthode sont généralement composées de 4 parties : le réservoir à polymères, une plateforme perforée qui évolue progressivement vers le fond du réservoir, un rayonnement ultraviolet et un ordinateur.

Après analyse du fichier représentant l’objet à créer et selon sa forme, la machine commence à y ajouter des fixations temporaires pour éviter un éventuel affaissement. Les couches de l’élément à fabriquer seront ensuite dessinées successivement et durcies immédiatement après leur création. Après chaque couche produite, le plateau continuera à descendre vers le fond jusqu’à ce que la fabrication soit terminée.

Il sera alors nécessaire de rincer l’objet fini avec un solvant liquide pour éliminer les excès de résine. On le fera chauffer dans un four ultraviolet pour durcir toute matière supplémentaire. Le SLA produit une très bonne qualité de finition et de détails (0,0005 mm), avec des surfaces lisses et régulières. Il peut être utilisé pour produire des objets de petites ou grandes tailles (plusieurs mètres de dimension).

L’impression par DLP

Cette méthode fonctionne de manière très semblable à l’impression SLA, car l’objet se révèle au fur et à mesure que la plateforme descend dans le réservoir. Il utilise par contre un projecteur laser pour fixer les polymères. C’est une technologie développée par un équipementier allemand, spécialisé dans le prototypage rapide. Il est plus rapide et moins coûteux que le SLA. Cette technologie est très utilisée dans la fabrication de prothèses dentaires, de bijoux et d’aides auditives.

Le procédé Polyjet

Il fonctionne également sur le principe de photopolymérisation, mais la principale différence réside dans la méthode d’assemblage de la matière. Après la modélisation de l’objet et sa transmission à l’ordinateur, sa création se fait par un dépôt de matière goutte à goutte sur un support en gel. Chaque ajout de polymère produit par les têtes d’impression, suit les coordonnées obtenues du fichier numérique. La matière déposée est ensuite exposée à un rayonnement ultraviolet qui la durcira immédiatement. Par répétition de ce procédé, l’objet est matérialisé dans sa totalité avec une qualité de finition excellente.

Il permet de produire des pièces d’assemblage, capables d’être agencées pour fabriquer un engrenage. Après perfectionnement de ce procédé, il est désormais possible d’utiliser des matériaux souples ou rigides pour fabriquer un élément composite. Il est alors possible de créer des objets plus complexes et variés.

Le frittage laser

Il consiste à utiliser un faisceau laser puissant pour fusionner de la poudre, à des endroits précis définis dans le fichier 3D traité par l’ordinateur connecté à votre imprimante. Également appelé SLS (Selective Laser Sintering), il fait fondre les particules de poudre sous l’effet de la chaleur, qui fusionnent entre elles pour créer des strates solides. Le matériau est ensuite ajouté par couches fines et solidifié à nouveau jusqu’à l’obtention de l’objet désiré.

Il devra être sablé ou poncé à la main pour obtenir une finition correcte. La poudre utilisée est un élément en nylon, connu sous le nom de polyamide. Il donne un aspect poreux à l’objet créé et peut être peint pour le colorer. Il est également possible d’utiliser de la poudre de verre ou de céramique et une combinaison de plusieurs de ces matériaux pour créer des produits uniques. Sur ce même mode de fonctionnement existe le DLMS, qui permet plutôt de créer des objets métalliques. De fines particules de métal sont utilisées à cet effet. Il s’agit du cobalt, du titane, de l’acier ou de l’Inconel.

Les autres techniques d’impression 3D reconnues

Il existe d’autres procédés d’impression 3D tels que : le dépôt de filament en fusion et l’agglomération de poudre par collage.

Le dépôt de filament en fusion

C’est le mode de fonctionnement le plus répandu parmi les imprimantes 3D à usage personnel. L’objet est produit par superposition de couches d’un filament de matière thermoplastique, fondu à 200 °C. La tête d’impression se positionne suivant les coordonnées obtenues dans le fichier 3D fourni, pour déposer le matériau de base. Elle était limitée uniquement à l’utilisation de plastique.

De nos jours, de nombreux matériaux sont intégrés dans la création de nouveaux types de filaments composites. Parmi ceux-ci, on peut citer : le bois, le cuivre, le bronze. De plus, il existe de très rares machines qui créent des objets en 3D à l’aide de cire ou de polycarbonates. Enfin, il faut noter que cette technique est très utilisée ces dernières années par l’industrie agroalimentaire et médicale. Elles s’en servent pour la production de cellules ou d’aliments particuliers, en misant sur une tête d’extrusion adaptée à leur domaine.

L’agglomération de poudre par collage

Il s’agit d’un processus d’impression 3D appelé 3DP (Three-Dimensionnal Printing) développé au MIT (Massachussetts Institute of Technology) en 1993. Il consiste à étaler une fine couche de poudre composite sur une plateforme, qui sera recouverte de petites gouttes de colle colorée, déposées par la tête d’impression.

Cet ensemble de produits de collage permet d’obtenir une palette de couleurs vaste pour l’objet qui sera créé. Après la fixation de chaque couche de poudre, la plateforme descend et le processus se répète jusqu’à l’obtention du produit fini. En ce qui concerne la finition de l’article, il est nécessaire d’aspirer les excédents de poudre et de le brosser ou le poncer. Enfin, il sera chauffé pour terminer le processus de solidification.

De plus, les imprimantes qui fonctionnent grâce à l’agglomération de poudre par collage coûtent près de 6 fois moins cher que celles de type SLA. Elles sont également plus rapides. Toutefois, leurs inconvénients majeurs résident dans le besoin d’effectuer un traitement postproduction aux objets créés pour garantir leur solidité. De plus, les surfaces des produits fabriqués sont relativement rugueuses et nécessitent un travail de finition.