Qu’est-ce que l’impression 3D ?

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Les méthodes de fabrication additive (FA) ou impression 3D ont un grand potentiel pour promouvoir la recherche transformatrice dans de nombreux domaines à travers le vaste spectre de l’ingénierie et de la science des matériaux. La fabrication additive est l’une des principales formes de fabrication de pointe qui permet la conception assistée par ordinateur (CAO) directe à la production de pièces sans outillage spécifique à la pièce.


L’impression 3D construit des objets en trois dimensions sur la base d’instructions contenues dans des fichiers informatiques. Parce que les objets sont construits en ajoutant du matériau (plutôt qu’en le retirant comme dans l’usinage, ou en le remodelant comme dans le moulage ou le formage), l’impression 3D est également connue sous le nom de «fabrication additive». Bien entendu, ce n’est pas une imprimante de bureau typique. Ce genre d’imprimante fonctionne différemment en effet. Au lieu de déposer une seule couche d’encre sur le papier comme le fait l’impression ordinaire, l’impression 3D ajoute couche après couche d’un matériau – comme le plastique, le métal, la céramique ou les cellules – jusqu’à ce que l’objet souhaité soit construit.

Et l’impression 3D c’est bien parce que… ?

Historiquement l’impression 3D commence au début des années 2000, par l’utilisation de résine chauffée et sert au prototypage rapide. Les années 2010 voient émerger des techniques innovantes utilisant une panoplie de matériaux nouveaux : le plastique (PLA ou ABS), la cire, le métal (aluminium, acier, titane, platine), le plâtre de Paris, les céramiques et même le verre. Des gains en durée et en précision de fabrication permettent la réalisation de pièces en petites séries.

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L’impression 3D est à l’origine de percées dans de nombreuses industries. Certains de ses avantages: (1) les inventeurs et les concepteurs peuvent construire et tester des prototypes de nouveaux produits rapidement et à moindre coût, (2) les erreurs dans la conception d’un produit peuvent être détectées et corrigées avant que les fabricants n’investissent dans des équipements de production de masse coûteux, (3) les pièces de rechange peuvent être fabriquées rapidement selon les besoins. Certaines des applications les plus intéressantes émergent dans le domaine de la médecine et de l’exploration spatiale. Il est utilisé pour créer des prothèses et des implants adaptés au corps d’une personne. Par exemple, le Walter Reed Army Medical Center imprime en 3D des implants crâniens pour les soldats blessés à la tête. Fabriqués en titane, les implants sont adaptés au corps et à la blessure de chaque patient.

Un jour, il sera peut-être même possible d’imprimer des organes humains tels que des foies et des reins en utilisant des cellules vivantes, ce qui sera utile pour la recherche et les greffes. L’impression d’un organe complexe et fonctionnel comme un cœur ou un foie est encore hors de portée, mais les chercheurs progressent. Par exemple, ils ont: construit des bandes de cellules hépatiques qui peuvent être utilisées pour tester des médicaments expérimentaux, et expérimenté l’impression de cellules cutanées ou cardiaques pouvant être utilisées pour des greffes de peau ou pour réparer les dommages causés par les crises cardiaques.

Utile même dans l’exploration de l’espace?

Oui, réfléchis-y. Lorsque la plupart des gens sont confrontés à une panne inattendue d’un appareil électroménager, le problème peut généralement être résolu en se rendant à la quincaillerie ou en appelant un réparateur. Si vous êtes astronaute, les pannes soudaines d’équipement posent évidemment des problèmes logistiques plus importants. De nombreuses pannes matérielles sur la Station spatiale internationale impliquent des plastiques et d’autres matériaux qui pourraient être réparés à l’aide de l’impression 3D. Au lieu d’attendre que des pièces de rechange soient envoyées de la Terre, les astronautes pourraient imprimer des pièces selon leurs besoins.

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Des organes humains imprimables? Peut-être un jour. L’astronaute Christina Koch travaille avec une imprimante biologique 3D sur la Station spatiale internationale. Les organes humains, avec leurs parties petites et complexes, ont été difficiles à imprimer dans la gravité terrestre. L’impression de tissus semblables à des organes en microgravité peut être une étape vers l’impression d’organes humains entiers dans l’espace.

Mais cela reste de la science-fiction, non?  En fait, ce n’est pas le cas. La NASA et la société privée Made In Space expérimentent l’impression 3D sur la station spatiale depuis fin 2014, et ils rapportent que la technologie a fonctionné en microgravité de la même manière que sur Terre. Au cours d’un test, des fichiers numériques contenant des instructions pour fabriquer un outil à cliquet ont été téléchargés sur la station spatiale et un astronaute avait l’outil terminé en main 2 heures plus tard. La capacité de fabriquer des objets selon les besoins pourrait apporter d’énormes avantages pour d’éventuelles futures missions spatiales.

Quels sont les défis?

Des questions scientifiques et techniques importantes demeurent. Davantage de tests et de développements sont nécessaires pour comprendre comment l’impression 3D fonctionne dans les conditions environnementales difficiles de l’espace. Certaines conceptions de pièces sont particulièrement difficiles à imprimer. Les chercheurs travaillent à améliorer la précision de fabrication et ont développé des techniques pour affiner les pièces imprimées en 3D, même après avoir terminé l’impression. Les propriétés des matériaux peuvent également changer au cours du processus d’impression 3D, ce qui peut entraîner une variabilité et un manque de fiabilité inattendus. Les chercheurs développent des modèles mathématiques et informatiques détaillés pour mieux comprendre ces variations matérielles.

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La plupart des procédés génèrent des états de surface relativement médiocres; il est souvent indispensable de lisser les surfaces par des techniques de polissage plus ou moins complexes. Une étape de Tribofinition finale permet d’améliorer considérablement l’état de surface sur tous les volumes de la pièce. Des poudres performantes comme le diamant, garantissent un Ra de l’ordre de 15 à 20 µm. Il est possible d’atteindre des valeurs proches de 0.1 µm voire mieux. Certaines techniques d’impression tridimensionnelle sont émettrices de particules «ultrafines» (nanoparticules).

Les procédés métalliques basés sur la fusion de poudre donnent des pièces relativement nocives si la poudre est mal aspirée sur la pièce finale. L’impression 3D, actuellement (2018), ne permet pas de réaliser du silicium dopé (+, -), pour réaliser des semi-conducteurs. Une des limites de la majorité des imprimantes 3D FFM/FDM est la difficulté d’imprimer un objet 3D en plusieurs couleurs. Des solutions existent, comme l’utilisation d’un logiciel tiers tel que MultiGCode, pour imprimer en plusieurs couleurs par couches. De plus, la fabrication reste limitée à une gamme étroite de matériaux, le coût de la matière et des machines est très élevé et la mise en œuvre s’avère souvent difficile (du fait de problématiques HSE).

Est-ce utilisable à domicile?

Les machines d’impression 3D utilisées dans certains environnements industriels sont sophistiquées et chères, mais vous pouvez acheter des modèles plus simples pour quelques centaines de dollars ou moins et les utiliser pour fabriquer des jouets, des outils et d’autres objets ménagers.

Les COVs émis par les imprimantes 3D pouvant être toxiques, il est recommandé d’utiliser ces imprimantes dans des locaux ventilés.

Pour aller plus loin

National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2016. Predictive Theoretical and Computational Approaches for Additive Manufacturing: Proceedings of a Workshop. Washington, DC. The National Academies Press, DOI : 10.17226/23646

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