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jeudi 9 novembre 2023

L'imprimante 3D pour tous !


Vous êtes un particulier, un professionnel, un curieux, un créatif, nous vous invitons à découvrir notre guide qui décrit toutes les étapes de l’impression en trois dimensions, de comparer les différentes imprimantes 3D et vous aider à choisir le modèle adapté à vos besoins.

Introduction :

Il y a encore quelques années, l’impression d’objets en 3D relevait soit du fantasme, soit de la science-fiction, soit des deux en même temps. Désormais, imprimer chez soi un objet de la vie quotidienne n’est plus un rêve mais bien une réalité. L’impression 3D est là.
Depuis les années 1980, ce concept n’a cessé d’évoluer et de se développer. Utilisé depuis plusieurs années dans le monde professionnel (pour le prototypage notamment), il touche enfin le grand public avec les premières imprimantes 3D. La communauté est bien présente et développe des applications à vitesse grand V. Le concept du « Do it Yourself » (littéralement, « faites-le vous-même ») vit un véritable essor grâce aux différents modèles accessibles. Au-delà du simple outil de bricolage avancé, il s’agit bien d’une évolution technologique sans précédent, que ce soit sur un plan professionnel ou personnel.
D’aucuns parlent d’une nouvelle Révolution Industrielle. Il est peut-être un peu tôt pour estampiller cette nouvelle technologie comme une « révolution », mais il s’agit assurément d’un bond en avant.
Pour beaucoup l’impression 3D renvoie à la fabrication d’objets sans intérêt ou à des concepts et processus de fabrication trop compliqués. Cependant, saviez-vous que l’impression 3D peut s’intégrer à de très nombreux domaines, particuliers comme professionnels ou que les technologies et matériaux employés sont désormais multiples ?
Pour faire le point sur l’impression 3D et renforcer (ou vérifier) vos connaissances, suivez le guide.
I/ Le principe de l'impression 3D :

a/L’impression : 

Comment fonctionne l’impression 3D ? La base est relativement simple. Après la modélisation d’un objet en 3D sur l’ordinateur (ou la récupération d’une création déjà réalisée, l’impression va se lancer).

Ce crâne en cours de construction nécessite un véritable échafaudage !
L’objet est imprimé en fines couches successives pour un rendu précis et détaillé. Plus les couches seront fines, plus l’impression sera détaillée et précise. L’épaisseur de la couche va de 0,1 à 0,2 mm pour le grand public, mais peut atteindre une finesse de 30 nm dans la recherche, par exemple.
Le véritable avantage de cette technique repose sur l’économie de matière employée. L’objet étant imprimé précisément, il n’y a pas de perte de matière première, pas de « chute ». Cela représente un véritable plus (pour les industriels comme pour les particuliers).
Pour l’impression de structures particulières une procédure préalable s’avère nécessaire. Comme on peut le voir sur la photo ci-contre, des renforts / supports sont imprimés en même temps que l’objet pour le soutenir et le maintenir dans sa position initiale du fait de sa nature bancale. L’impression 3D est un travail de précision et de minutie, ce qui implique que l’objet doit rester immobile pendant toute la durée du processus. Mais avec une imprimante 3D, ces renforts/supports peuvent eux-mêmes être… imprimés. On utilise alors des matériaux dissolvables pour faciliter la finalisation.

b/Méthodes d'impression :

Il existe beaucoup de méthodes différentes d’impression 3D. La plus répandue dans le commerce est la méthode dite du « dépôt de fil FDM (Fused Deposition Modeling) ».
Comme son nom l’indique, cette technique repose sur un dépôt de filament qui s’effectue en couches successives très fines. Chauffé à haute température, ce filament (le plus souvent en polymère de plastique) va atteindre son point de fusion et sera déposé par une buse sur le plateau de l’imprimante 3D. Le diamètre de ce filament varie selon les imprimantes et permet d’obtenir un objet plus ou moins détaillé (avec une qualité d’impression variable en somme). Plus le diamètre est faible, plus l’objet sera de qualité mais mettra du temps à s’imprimer.
Ainsi, ce filament très fin sort de la buse et vient se placer sur ceux déjà déposés. Les deux filaments fusionnent entre eux, ce qui donne au final un objet en un seul bloc. Cette technique d’impression 3D est déposée par l’entreprise Stratasys, qui l’a inventée.
La stéréolithographie (SLA, stereolithograph apparatus) est également répandue et commune. Le principe général est identique à la méthode FDM, si ce n’est l’utilisation d’ultra-violets dans un liquide plastique monomère. Entre chaque couche de résine déposée, une lampe ultra-violette va flasher la résine pour la traiter. La conséquence est un durcissement de la résine qui sera alors prête à accueillir la seconde couche et ainsi de suite. Son proche cousin est le DLP (Digital Light Processing ou Traitement Numérique de la Lumière) qui utilise non pas les UV mais une ampoule inactinique (comme dans les labos photo argentiques en résumé).
Très proche de la stéréolithographie, la SLS (Selective Laser Sintering) ou « Frittage Sélectif Laser » est une technique utilisée dans les imprimantes 3D de grande taille (destinées aux industries). Au lieu de résine, la matière employée est une poudre. Entre chaque couche, un laser solidifie la poudre appliquée et la fixe aux couches précédentes par frittage (la poudre chauffe sans entrer en fusion et se soude à la couche inférieure). Une fois les premières couches soudées par ce procédé, une nouvelle couche de poudre est étalée et le processus continue jusqu’à ce que la pièce soit achevée.
Pour les impressions les plus précises (bijouterie, médecine), c’est parfois le choix de la technologie Polyjet ou Multijet qui est fait. Comme pour la stéréolithographie, c’est un polymère liquide qui est utilisé et solidifié par une lumière UV. La différence est ici dans la façon de solidifier les couches, Polyjet et Multijet faisant appel à la projection de gouttelettes de photopolymère.
Mentionnons enfin la récente technologie CLIP (Continuous Liquid Interface Production) qui fonctionne avec un bain de résine dans lequel est projetée la forme de l’objet à imprimer, durcié par des UV.

c/Le consommable :
Ces bobines de filaments en PLA sont bien loin de nos traditionnelles cartouches d’encre…
Comme vu précédemment, le consommable nécessaire à l’impression est en fait un filament chauffé jusqu’à son point de fusion. Ainsi, il faut oublier les cartouches d’encre traditionnelles et se tourner vers des bobines de filaments pour alimenter son imprimante 3D.
On retrouve actuellement 3 matières principales pour ces filaments disponibles dans le commerce, l’ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène), le PLA (PolyLactic Acid, ou acide polylactique) ou le PVA (PolyVinyl Alcohol ou alcool polyvinylique) : il s’agit de résine constituée de plastique. L’impression sur filament de métal est toute fois en plein essor et il existe aussi des impressions 3D avec de la céramique ou des matériaux organiques (bois, cire, matière alimentaire...).

II/ Un nouveau système économique : 

a/Le consommateur devient producteur :

Au sein de ce dossier, nous ne rentrerons pas dans des extrapolations économiques, certains experts étant beaucoup mieux placés pour cela ! Il est en revanche possible d’émettre des hypothèses quant aux répercussions possibles de cette démocratisation.
L’impression directement chez soi de produits a le potentiel pour remettre en cause, en partie, le modèle de consommation actuel.
C’est ce bouleversement qui pourrait se créer dans les prochaines années. Si la technologie 3D en est encore à ses balbutiements, il n’y a aucun doute qu’elle est amenée à se démocratiser et à se répandre auprès du public.

b/Achat de fichier et non de produit :

« Alors au final, si je peux tout imprimer chez moi, qu’est-ce que j’aurais à acheter ? »
Au-delà de l’investissement initial (imprimante et consommables), il faudra acheter des plans, ou patrons. Prenons l’exemple d'une clé à molette : il faut acheter ou créer le dessin en 3D de la clé pour l’imprimer semble tout à fait logique et dans l’ordre des choses. Un seul format de fichier fait référence, il s’agit du format STL, aussi appelé fichier de stéréolithographie. Ce format a été développé par la société 3D Systems et est communément utilisé par toutes les imprimantes 3D, quelle que soit la technique d’impression employée.
Cependant, comme toute donnée dématérialisée, son commerce est épineux à cause des problèmes de sécurité. Pour empêcher un copier/coller et la diffusion de ce patron sur la toile, un système de DRM (Gestion des Droits Numériques, système empêchant la copie illégale) parfait est indispensable. Problème, ce système parfait n’existe pas. Actuellement, beaucoup de fichiers sont en open source, créés par la communauté pour la communauté. Il faut comprendre par là que ces fichiers ne sont pas soumis aux droits d’auteurs, peuvent être améliorés et/ou modifiés. Les constructeurs d’imprimante 3D proposent également à la vente des schémas de construction à réaliser chez soi.
On assiste aujourd’hui à une forte croissance de sites de vente en ligne de fichiers STL. De même, des logiciels de plus en plus perfectionnés (et payants) arrivent sur le marché. Ceux-ci simplifient au maximum les étapes pour permettre l’élaboration de son propre modèle pour une impression 3D. si ce n’est encore que le début de cette vente de fichiers en ligne, il va sans dire que certains sites affichent déjà une bibliothèque impressionnante (comme le site Thingiverse qui dispose de plusieurs milliers de modèles), permettant d’imprimer de tout, du jeu d’échecs au serpent articulé, en passant par la clé à molette ou la coque pour smartphone ! Heureusement, les initiatives gratuites et open source existent aussi à l’image de ce quepropose la NASA sur GitHub.
Des logiciels de création tels que Sketchup ou encore Thinkercad sont très utiles car faciles d’accès. L’apprentissage se fait relativement rapidement pour des formes simples et il existe une myriade de tutoriels sur le web pour progresser.
Il s’agit d’une très bonne alternative à la création pure, si vous ne disposez pas de solides compétences en infographie et design 3D.
III-Les applications 3D actuelles
Impression longue : compter environ 15 h pour un objet de 30 cm de haut

a/Professionnelles :
Assemblage de rouages imprimé en une seule fois !
Les applications industrielles de l’impression 3D sont déjà adoptées. Si l’impression 3D n’est pas encore au cœur des chaînes de production dans les industries, ce procédé de fabrication est très apprécié pour le prototypage et les tests grandeur nature et est intéressant en termes de coût car il réduirait les intermédiaires nécessaires.
Actuellement, les professionnels disposant d’imprimantes 3D démontrent les capacités de cette technologie et poussent l’impression à ses limites. La finesse des détails est poussée à l’extrême sur différents objets, mais pas seulement.
On retrouve ainsi les premiers objets constitués de plusieurs parties amovibles, imprimés en une seule fois. Il est possible d’imprimer une coque de smartphone avec des engrenages à l’arrière, ou bien d’imprimer une clé à molette fonctionnelle, en une seule impression de plusieurs heures.

Certaines entreprises proposent déjà l’impression sur mesure d’objets de grandes tailles, tel que des meubles ou des vases. D’autres se basent sur la finesse avec l’utilisation d’un scanner 3D. Par exemple, il est possible (après un passage devant ce scanner), d’obtenir une figurine de super héros qui dispose de nos traits en lieu et place du visage. Et il ne s’agit que de quelques applications parmi celles disponibles.
De nombreuses vidéos sont disponibles sur Internet, chacune repoussant encore les limites de l’impression 3D. Chacune présentant des objets que l’on pensait impossible à imprimer.

b/Personnelles

Serait-ce la toute première version d'un Terminator ?
Sur le plan personnel, les applications restent plutôt limitées. On pourrait résumer les possibilités à « la seule limite est votre imagination, tant qu’elle tient dans un espace donné ». Selon le modèle d’imprimante choisi, la surface d’impression sera plus ou moins grande, et donnera accès à plus ou moins de possibilités de création.
Réfléchir en trois dimensions n’est pas commun, il s’agit cependant d’un réflexe à acquérir avec ce matériel. Que vous cherchiez à réaliser un vase, un dé à coudre ou une figurine à votre image, cela est possible. Selon la définition (comprendre la finesse d’impression) choisie, votre ouvrage prendra plus ou moins de temps.
Pour une figurine aux traits grossiers, quelques heures seront nécessaires. Pour une figurine plus aboutie et recherchée au niveau des détails, il faudra compter beaucoup plus de temps. Pour imprimer une pièce d’échecs creuse (une tour avec créneaux et escalier en colimaçon) par exemple, seulement 1h30 sera nécessaire pour une impression en PLA. En ABS, le temps est légèrement plus élevé, comptez 1h45.
Pour les amateurs de jeux de rôle ou jeux de figurines, une imprimante 3D représente en quelque sorte le Saint-Graal. Il devient désormais faisable d’imprimer sa propre figurine, dans la posture choisie et avec un équipement personnalisé. Dynamiser son plateau de jeu devient alors possible très rapidement et sans effort ! De même, créer votre plateau d’échecs avec des pièces uniques et personnalisées est réalisable.

III/Les applications 3D futures :

L’impression 3D n’a pas encore atteint l’âge de la maturité dans le grand public, il est difficile dès lors d’annoncer de quoi sera constitué le futur de cette technologie. Cependant, nombre d’hypothèses sont permises.
a/Variété des consommables

Aujourd’hui, les consommables restent limités. Comme nous l’avons vu dans le chapitre 2, si le plastique est la norme, certains industriels commencent à réussir à imprimer avec des matériaux variés. L’intérêt pour une chaîne de production ou la manufacture à grande échelle est évident, mais aussi pour les possibilités que cela ouvre.
Des matériaux naturels, donnant lieu à des constructions elles aussi plus variées sont déjà utilisées dans le monde professionnel.
Des composés hybrides de ces matériaux sont également envisageables, mêlant du bois, du métal et de la pierre au sein d’un même objet.

b/Médecine









De nombreux travaux sur l'impression 3D de prothèses
Les applications dans le domaine médical sont très prometteuses, mais aussi très impressionnantes !
Dans certains laboratoires à travers le monde, il est déjà possible d’utiliser des cellules souches en tant que matériau d’impression. Pour vulgariser, cela permet de créer un objet à base de cellules vivantes. De cette impression expérimentale à l’impression d’organes fonctionnels, il n’y a qu’un pas.
Les implications sont alors monumentales et infinies. Sans rentrer dans un cours de biologie avancé, remplacer des cellules défectueuses (cancer, ou encore alzheimer) est une hypothèse de recherche. Plus de problèmes de rejet des greffes, les organes ou membres « imprimés » le seraient à partir des cellules souches du patient. De nombreux projets sur les prothèses médicales sont également en cours.
Le nombre d’heures nécessaire à une telle réalisation est bien sûr très important et la recherche n’en est qu’à ses débuts, mais le film de science-fiction n’est plus forcément inaccessible. Mais si, vous savez, ce film où les membres sont reconstruits en quelques secondes !
Bien évidemment, des complications sont à prévoir sur un plan éthique, voire sur un plan philosophique. Pour l’heure, la priorité est donnée à la recherche mais ces données seront à prendre en compte.

c/Nourriture

Démonstration des possibilités de l'impression 3D en gastronomie pour réaliser des structures "parfaites" (ici, de la société food ink)
Avec l’impression de cellules souches humaines à des fins médicales, l’impression de cellules souches animales peut aussi devenir intéressante.
Là encore, des barrières éthiques et philosophiques ou sociétales peuvent se poser, mais le processus n’est pas établi et soumis à des évolutions.
La NASA s’est montrée vivement intéressée par ce procédé d’impression de nourriture pour en équiper ses appareils en orbite, dans le but de varier le quotidien des astronautes. Passer d’aliments lyophilisés à une pizza créée dans l’espace est un luxe bienvenu, mais aussi un gain de place certain, ressource précieuse au sein de ces missions.
A terme, une imprimante 3D se ferait-elle une place entre le four, le frigo et le four à micro-ondes ?

d/Exploration spatiale

Toujours avec la NASA, les techniques d’impressions 3D représentent une possibilité d’avancée gigantesque dans le domaine de l’exploration spatiale et de la recherche. Tout d’abord au niveau de l’outillage. Pour caricaturer, si un astronaute fait tomber sa clé à molette en changeant les bougies de sa navette, il n’a plus qu’à espérer en avoir une autre dans la boîte à gants. Sinon il faudra faire avec les moyens du bord. Une imprimante 3D permettrait d’en recréer une sur l’instant, de même que recréer une pièce défectueuse serait très intéressant.
Sur la colonisation spatiale en elle-même, on s’approche de la robotisation à grande échelle. En envoyant une imprimante 3D (de très grande taille) sur une planète, il serait possible de la piloter à distance et commencer à créer des quartiers d’habitation avant même que les astronautes n’arrivent.
Bien évidemment, tout cela en est encore au stade de l’imagination et de l’extrapolation, mais l’impression 3D est le domaine qui se prête le plus à ce genre de possibilités aujourd’hui.

e/Industries

Revenons sur Terre quelques instants, dans nos bonnes vieilles usines. L’automatisation des chaînes de production est en croissance depuis plusieurs années et cela pourrait gagner en ampleur au cours des prochaines décennies, notamment grâce à l’impression 3D.
Pour une chaîne de production de voiture, il deviendrait possible d’imprimer un moteur en une seule fois. Si les gains en coûts sont évidents, cela simplifierait également l’approvisionnement avec « seulement » des matériaux nécessaires.

IV/Les limites de l’impression 3D 

a/Taille des objets

La limite la plus évidente de l’impression 3D aujourd’hui concerne la taille des créations. Selon le modèle d’imprimante sélectionné, l’objet à imprimer aura une taille plus ou moins importante. Bien évidemment, les imprimantes industrielles sont beaucoup moins limitées et disposent d’une surface d’impression bien plus importante.
Pour une création 3D volumineuse, la seule solution aujourd’hui possible est d’imprimer l’objet en plusieurs morceaux distincts. Par exemple pour une grande figurine, il faudra imprimer les jambes séparément, puis le torse, les bras, et enfin la tête. Cela s’avère fastidieux mais permet d’imprimer un objet dans des dimensions importantes.

b/Couleurs









Une impression bicolore se fait sans problèmes
Plusieurs couleurs sont déjà disponibles pour réaliser des impressions en matériaux de synthèse. Dans chacune de ces matières, on retrouve les inévitables couleurs primaires, mais aussi diverses déclinaisons.
Certains modèles disposent de plusieurs têtes d’impression qui peuvent intervenir sur une même création, permettant des objets de plusieurs couleurs différentes.
Il ne faut surtout pas oublier qu’il s’agit d’un polymère de plastique. Par conséquent, il est tout à fait possible de peindre vos créations une fois l’impression terminée. De la peinture à maquette sera ainsi recommandée (ou peinture à figurines), avec l’application préalable d’une sous-couche.
A terme, les couleurs sont amenées à se diversifier, de même que leur mélange au sein d’une même création 3D.

c/Composés "hybrides"

Il est possible de mêler deux composants sur une même création 3D (sauf imprimantes avec une seule tête d’impression). Par exemple, il est possible de créer une base en ABS puis le reste de la structure en PLA, seulement si l’imprimante dispose d’au moins deux têtes d’impression.
Aujourd’hui cela reste limité aux seuls composés plastiques ABS et PLA. Cette barrière est amenée à s’amenuiser puis disparaître au fur et à mesure que la technologie va se développer. Lancer une création composée de métal et de plastique en même temps sera alors possible.

d/Légalité
Les possibilités de l’impression 3D étant encore méconnues, il n’existe pas encore d’articles de législation encadrant leur utilisation.
Cependant, créer des armes à feu fonctionnelles avec une imprimante 3D reste interdit par la loi et sera sévèrement encadré ou réprimandé dans le cas d’une mise en ligne du fichier source servant de patron.

V-Bien débuter

a/Imprimante 3D

Une imprimante 3D complète
Pour débuter dans l’impression 3D chez soi, il faut bien évidemment une imprimante 3D. Mais laquelle ?
Il faut tout d’abord définir votre utilisation et la nature même de vos créations. Il s’agit d’un investissement qui n’est pas à prendre à la légère, il faut donc bien réfléchir au modèle qui vous convient le mieux.
Plusieurs données sont à prendre en compte :
  • La taille de la zone d’impression
  • La résolution
  • La vitesse
  • Le nombre de têtes d’impression que vous désirez avoir au sein de votre imprimante
Le nombre de têtes va vous donner la possibilité d’imprimer un objet en différentes couleurs sans pour autant influer sur la vitesse de création, alors soyez vigilants.
La vitesse d’impression en elle-même est définie par la vitesse de dépôt du filament par la buse. Certaines imprimantes déposent jusqu’à 15 mm de filament par seconde. Dans le cadre d’un travail détaillé, la vitesse devra être adaptée.
La résolution (soit l’épaisseur de la couche déposée) concerne la finition de l’objet, l’attention portée aux détails. Une résolution élevée (0,1 mm par exemple) permettra des filaments très fins et donc des détails aboutis. Avec des filaments plus épais (0,2 mm pour une résolution plus faible), les détails ne seront pas aussi fins et le trait aussi précis.
Enfin, la taille de la zone d’impression est primordiale quand on acquiert une imprimante 3D. Certaines imprimantes 3D disposent d’une zone très grande, ce qui permet l’impression de gros objets, comme un ballon de basket. Selon votre utilisation ou vos projets, choisissez la taille qui vous correspond.

b/Modélisation 3D :

Pour lancer une impression en 3D, l’utilisation d’un fichier STL est nécessaire. Il existe deux méthodes pour obtenir ce fichier et entamer une création en 3D.
Il est possible de télécharger ce fichier directement depuis des sites officiels (fabricants d’imprimantes) ou sites officieux (communautés). Certains fichiers sont disponibles gratuitement, tandis que d’autres sont vendus pour quelques euros sur les sites officiels. De plus, des exemples de modélisations en STL sont fournis avec votre imprimante.
La seconde méthode est beaucoup plus complexe, personnalisable, et nécessite de solides compétences et connaissances en CAO (Conception Assistée par Ordinateur). Le but de la manœuvre est en effet de créer ce nouveau fichier, de A à Z. Pour ce faire, vous disposez de différents moyens. Soit vous utilisez un scanner 3D sur un objet existant dans le but de le répliquer, soit un logiciel. Le logiciel va nécessiter de lourdes compétences, mais vous pourrez inventer totalement une nouvelle création, puis lancer son impression.
Une fois le fichier STL en votre possession, il ne vous reste plus qu’à l’envoyer sur votre imprimante (d’où l’importance de sa connectique entre WiFi, carte SD, clé USB...), vous assurer qu’elle est bien calibrée, sous tension, et chargée avec une cartouche de plastique (ABS ou PLA).

c/Calibrage imprimante

Avant de lancer toute impression, une phase de calibrage est indispensable pour toute imprimante destinée au grand public. Ce calibrage se fait manuellement en quelques instants mais doit être effectué avec une minutie certaine.
Le plateau où l’objet est créé est très sensible aux vibrations, c’est pour cela qu’il faut vérifier qu’il n’a pas bougé entre deux impressions, même séparées dans le temps de quelques minutes. En effet, un décalage d’un mm seulement peut avoir des conséquences importantes sur l’impression globale d’un objet, pouvant causer des difformités ou des parties de l’objet en décalage avec la base.
Le plateau doit également être réglé au niveau de la hauteur, mais aussi et surtout au niveau de son inclinaison par rapport aux têtes d’impression (extruders). Par rapport à ces extruders, le plateau doit être placé à la perpendiculaire et être parfaitement aligné. Il s’agit donc d’un angle de 90° (et pas 88° ou 91°, la précision étant essentielle).
Cette manipulation peut sembler fastidieuse car il faut la réaliser entre chaque création, mais au final cela se fait rapidement, c’est une habitude à prendre.

d/Consommables :

Selon le modèle de votre imprimante, une cartouche de résine sera compatible ou non. Dans la plupart des cas, une cartouche contient près de 1 kg de matière, disponible en différents coloris.
Pour une imprimante classique, on raisonne en nombre de pages pour la capacité d’une cartouche d’encre. Pour une cartouche de résine, on va raisonner en nombre de pièces en termes de dimensions. Mais outre le modèle, le rendement va dépendre du diamètre et du type de filament utilisé.

Pour installer l'imprimante 3D Alfawise U30 :



Voici d'autres améliorations de l'imprimante  3D :