Article 1 : L'impression 3D

10 Mai 2020

C’est avec plaisir que nous vous dévoilons le premier article du Blog MYE. L’idée est de partager avec vous des informations sur un domaine ou un sujet en lien avec notre projet.

Pour commencer, un peu d’historique...

Les premiers essais d'impression 3D ont été réalisés par le docteur Kodoma en 1980, qui fut le premier à décrire une méthode de prototypage couche par couche à l'aide d'une résine se solidifiant à l’exposition d’une lampe UV: ce processus s’appelle a Stéréolithographie (SLA). Il a ensuite fallu attendre 1986, pour que Charles Hull, ingénieur français dépose un brevet pour cette technologie.

Parallèlement, un chercheur américain de l'university of Texas nommé Carl Deckard s'intéresse à une nouvelle méthode d'impression 3D permettant de fusionner localement des grains de poudre à l'aide d'un laser. Il dépose un brevet en 1988 pour cette technologie appelée frittage sélectif par Laser ou SLS (Slective Laser Sintering).

Au même moment, Scott Crump réalise des travaux sur une troisième méthode d'impression 3D : le dépôt de fil ou fused Deposition Modelling (FDM). Ce procédé consiste à faire fondre un filament de matériau et à le déposer couche par couche à l'aide d'une buse d'impression suivant un motif préalablement défini. A l'heure actuelle, le dépôt de fil fondu est devenu la méthode d'impression la plus populaire de par sa simplicité mais aussi pas les nombreux avantages qu'elle procure.

Entre 1980 et 1990, les trois principales méthodes d’impression 3D furent brevetées, ce qui actera la naissance de cette technologie. Mais il a fallu attendre les années 90 pour voir l'arrivée des premières machines utilisant les nouvelles solutions de CAO (Conception Assisté par Ordinateurs).

Les différentes techniques d’impression...

• La stéreolithographie ou stereolitograph apparatus (SLA) utilise le principe de photopolymérisation à partir d’une résine sensible aux UVs. En effet, la résine se solidifie au passage d’un laser couche après couche de manière à fabriquer des modèles 3D. Les étapes de ce procédé de fabrication sont les suivantes :

- Le faisceau laser balaie la surface de la résine liquide selon le modèle 3D numérique fourni à l’imprimante.
- Une fois la première couche de matériau solidifiée, la plate-forme descend d’un niveau, correspondant à l’épaisseur d’une couche d’impression, et une nouvelle section est alors solidifiée.
- Le processus est répété jusqu’à ce que la pièce soit complétée

Sur certains modèles de machines SLA, la production de la pièce se fait à l’envers. La plate-forme est immergée dans le bac de résine après que chaque couche soit solidifiée tandis que le laser agit de bas en haut. La technologie de stéréolithographie est connue pour sa qualité mais aussi pour son rendu de surface supérieur aux autres méthodes d’impression 3D.

• Le frittage sélectif par laser utilise la température générée par un laser CO2 pour fritter de la poudre et construire couche par couche le modèle 3D. Pour cela, le dépôt de poudre doit être chauffé au-dessus de la température de fusion du matériau. Les étapes de fabrication sont les suivantes :

- Une première couche de poudre est déposée sur le plateau
- On balaye cette dernière par le laser CO2 de manière à provoquer un frittage et consolider la poudre
- Lorsque la couche est ainsi fabriquée, le plateau s’abaisse automatiquement et les étapes sont répétées de manière à obtenir la pièce voulue couche par couche

Cette technologie permet de fabriquer des pièces dans une large gamme de matériaux comme par exemple des polymères plastiques (Polyamide PA12, Nylon, PEBA, thermoplastique haute performant (PEEK)), des fibres de carbone, de verre, d’aluminium. L’utilisation de fibres permet d’améliorer exponentiellement le comportement mécanique des pièces.

• Le dépôt de fil fondu ou FDM est considéré comme la méthode d’impression 3D la plus simple. En effet, cette technologie repose sur 3 éléments principaux :

- Un plateau d’impression sur lequel est imprimé la pièce
- Une bobine de filament qui sert de matériau d’impression
- Une tête d’extrusion également appelé extrudeur

Pour réaliser une pièce en impression 3D, le filament est entrainé et fondu par l’extrudeur selon le motif préalablement défini. Ce dernier dépose le matériau ainsi fondu couche par couche sur le plateau. La plateforme descend d’un niveau à chaque nouvelle couche appliquée, jusqu’à impression de l’objet. Dans le domaine de l’impression 3D, le dépôt de fil fondu est une technologie assez répandue et connue. En effet, cette technologie a l’avantage de pouvoir être utilisée pour une large gamme de matériaux, seule condition la température chauffant l’extrudeur :
- Les matériaux thermoplastique (PLA et ABS, mais aussi Polycarbonate, PET, PS, ASA, PVA, Nylon, ULTEM)
- Matériaux composites à base de métal, pierre, bois
- Matériau céramique ou même argile en remplaçant l’extrudeur par une seringue

De plus, cette technologie permet également de construire des pièces avec plusieurs bobines et donc plusieurs couleurs. Ces pièces ainsi construites sont dites polychromes.

L’impression 3D de nos jours :

Concernant l’impression 3D, plusieurs entreprises ont pris la place de leader en se partageant le marché juteux de cette technologie :

- EOS GmbH a développé le premier système EOS "Stereos" permettant de produire à l'échelle industrielle des pièces en impression 3D qualitativement. Cette société est aujourd'hui mondialement reconnue pour l'utilisation de la technologie de frittage sélectif par laser (SLS) pour plastiques et métaux.
- La société Stratasys développé par Scott Crump est également une référence dans ce milieu. Depuis sa creation, elle développe des imprimantes 3D à usage professionnel mais aussi individuel permettant une vulgarisation de cette technologie et un accès à tous.
- Zcorp a émergé dans les années 2000, cette société se fait rapidement une place parmi les leaders du secteur en proposant une technologie d'impression par jet d'encre (du MIT), qui produit des modèles en utilisant de matériaux jusqu'alors jamais vue comme de l'amidon ou des matériaux à base de poudre de plâtre, ou d'un liant à base d'eau.

Mais alors si cette technologie était déjà connue à l'époque, pourquoi un sujet comme celui-ci est devenu un sujet tellement populaire et en vogue actuellement ? Tout simplement car cette année marque l'expiration des différents brevets déposés précédemment et ouvre la porte aux premières impression 3D à faible cout : ce qui coûtait auparavant 200 000$ est soudainement devenu disponible pour moins de 2 000 $. De plus, à partir des années 2009, cette technologie gagne en popularité mais aussi en visibilité dans les médias avec les premiers organes imprimés en impression 3D et les nombreuses prothèses innovantes créées avec cette technologie. Ce renouveau dans le secteur médical ouvre le champ des possibles, permettant à un plus grand nombre de connaitre cette technologie.

A l'heure actuelle, les imprimantes 3D ne cessent de s'améliorer au niveau de leur technologie mais aussi des matériaux utilisés. L'impression 3D n'a pas encore atteint ses limites, et touche maintenant professionnels et particuliers dans tous les domaines.

Un petit focus sur l’application de l’impression 3D dans notre projet

Quel est le lien entre l’impression 3D et MYE ?
C’est tout simple !

Durant nos formations d’ingénieurs respectives, nous avons été amenés à manipuler les différents logiciels de CAO et nous avons appris que réaliser un produit de manière classique en industrie est assez couteux si celui-ci n’est pas réalisé en grande quantité.

Suite à des premières phases de prototypage virtuel, nous sommes rapidement arrivés à la conclusion que si nous voulions concrétiser un prototype physique à moindre coûts, nous devions nous pencher vers l’impression 3D. Ayant modélisé des pièces n’étant pas sur le marché et nécessitant des dimensions et caractéristiques précises, nous avions besoin de la liberté et de l’efficacité d’exécution de l’impression 3D.

Après plusieurs essais, nous avons pu imprimer les pièces de notre premier prototype. L’impression FDM étant la plus démocratisée auprès du grand publique, nous avons pu faire appel à une connaissance possédant une imprimante 3D de ce type et obtenir nos pièces rapidement pour un coût moindre que si nous étions passés par des professionnels. Les pièces ont été réalisées en PLA car d’une part les contraintes rencontrées par notre système sont faibles d’un point de vue mécanique et thermique, mais aussi car ce matériau fait l’affaire pour une preuve de concept.

Résultat : les pièces de notre prototype ont été imprimées en à peine 2 jours et pour un budget de 5€. Combo gagnant pour la team MYE ! Nous vous laissons admirer le rendu sur les photos suivantes :

Source :
https://www.3dnatives.com/frittage-selectif-par-laser/
http://prismadd.com/technologie-sls/
https://www.sculpteo.com/fr/centre-apprentissage/technologies-impression-3d/fdm-vs-sla-vs-sls-vs-dls-affrontement-des-technologies/
https://rocbor.net/Product/Ressources/NouvellesTechnologies/StereolithographieAndCo/Processes/SLA.htm

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