Fabrication additive | Fabriquer des objets à partir de modèles 3D

X-Entrepreneurship lance sa série sur les mots-clés de l’entrepreneuriat et de l’innovation. Pour le premier, nous nous intéressons à la fabrication additive, qui permet de réaliser des objets à partir de modèles 3D. Découvrez ce qu’est la fabrication par addition de couches, son utilité, les procédés de fabrication et le FabLab de l’École polytechnique.

 

Qu’est-ce que la fabrication additive ?

La fabrication additive, aussi appelée impression 3D par le grand public, désigne les procédés qui permettent de fabriquer un objet par superposition de couches, généralement en métal ou en plastique, à partir d’un modèle numérique en 3D. Le terme fabrication additiveest employé dans un cadre industriel par les professionnels.
S’opposant aux techniques de fabrication traditionnelles qui soustraient, moulent et plient la matière, la fabrication additive fonctionne par addition de couches pour créer des formes plus complexes, assistée par ordinateur. Ce processus de fabrication offre un fort potentiel pour produire des composants de façon plus efficace et pour en créer de nouveaux. La FA est notamment utilisée dans les secteurs de pointe comme l’automobile et l’aérospatiale.

 

Les avantages de la FA

La fabrication additive répond à de nombreux besoins du secteur industriel :

  • concevoir des pièces complexes avec un coût réduit ;
  • travailler des matériaux de haute qualité (Titane Ti6Al4V ou Inconel 718) ;
  • mettre constamment à jour les conceptions ;
  • réduire le temps de la mise sur le marché des composants ;
  • ne plus investir dans des outils de fabrication coûteux ;
  • éliminer les risques liés au stock ;
  • réduire la perte de matière et produire moins de déchets.

 

Historique de la fabrication additive

C’est en 1984 que débute l’histoire de la fabrication additive : le 1er brevet est déposé par Jean-Claude André, Alain le Méhauté et Olivier de Witte, 3 Français, pour l’entreprise CILAS ALCATEL. Deux semaines plus tard, Charles Hull, un Américain, brevète la technique de stéréolithographie, un procédé de fabrication additive. Il crée alors l’entreprise 3D Systems, fabricant d’imprimantes 3D, puis lance en 1988 la première imprimante 3D : la SLA-250.A partir de là, de nombreux autres procédés voient le jour, comme le FDM (Fused Deposition Modeling) en 1988, la DMLS (Direct Metal Laser Sintering) en 1995 ou encore le 3DPP (3D Paper Printing) en 2003.

Les années 2000 renforcent l’intérêt porté à la fabrication additive et ses innovations, notamment depuis l’implantation de la première prothèse sur un humain en 1999. La première imprimante couleur est lancée en 2005 ; et le projet open source RepRap, qui ambitionne de diffuser en grand nombre les imprimantes 3D en technologie de dépôt de fil fondu, est initié en 2004.
2011 signe le début de l’impression 3D alimentaire, d’abord avec du sucre puis du chocolat en 2012. Le secteur de l’immobilier en Chine s’empare de la fabrication additive en 2014, dans le but de fabriquer des maisons en impression 3D à bas coût. En 2012, une mâchoire est imprimée et implantée et en 2013, c’est un rein qui est transplanté sur un patient. Une révolution pour la médecine qui est capable d’imprimer des tissus, des prothèses et des organes à bas coût, même si la bio-impression a encore du chemin à parcourir pour offrir des résultats optimaux. 
De nos jours, les efforts continuent pour rendre la fabrication additive de plus en plus accessible, notamment au sein de FabLab comme X-Fab, à l’École polytechnique.

 

Fabrication soustractive : quelle différence ?

La fabrication soustractive est le contraire de la fabrication additive : on supprime de la matière pour obtenir l’objet désiré. Elle comprend plusieurs processus d’enlèvement de matière par découpe, perçage et rectification. Ces processus sont effectués à l’aide de la CNC (commande numérique par ordinateur). Le logiciel de CAO crée un parcours pour guider l’outil de coupe à travers la pièce.
La fabrication soustractive est généralement utilisée pour créer des pièces en métal ou en plastique pour du prototypage et de la fabrication d’outils. Elle offre une grande variété de matériaux et de méthodes de transformation.

 

Pourquoi faire de la fabrication additive ?

Aujourd’hui, la fabrication additive est abondamment utilisée dans les domaines de l’automobile, de la dentisterie, de la bio-impression, de l’industrie aéronautique, de l’industrie spatiale et même pour des produits de luxe. En effet, la complexité des objets créés permet d’obtenir des composants légers, de réduire la consommation énergétique et de consolider les assemblages par un nombre de composants réduit.
La fabrication par addition de couches s’applique en grande partie à la fabrication d’outillage industriel, à la production de composants en petites séries, au prototypage et à la création de produits personnalisés pour le client. Certaines applications sont encore en développement, comme la préparation de produits alimentaires, la construction immobilière, la confection de vêtements ou la création d’organes et de tissus humains.

 

Les procédés par addition de couche
Dépôt de fil fondu (FDM)

Le dépôt de fil fondu, ou FDM, est la technique de fabrication additive la plus populaire et accessible. Elle s’utilise par le biais d’imprimantes 3D de bureau, simples à utiliser. C’est un procédé de fabrication rapide qui permet de réaliser du prototypage, des outils et des modèles fonctionnels, mais le résultat ne sera pas professionnel. Cette méthode consiste à fondre un filament et à le déposer couche par couche grâce à une buse d’impression. Le plateau descend entre chaque couche et le processus se répète jusqu’à ce l’objet soit terminé. Un support est nécessaire avec la technologie FDM pour créer des géométries.

 

Polyjet

Le procédé d’impression 3D Polyjet utilise la lumière UV pour solidifier de la résine polymère et obtenir l’objet souhaité. Des têtes d’impression envoient des gouttelettes de résine photopolymère pour former une couche ; puis la lampe UV solidifie la résine. Le plateau d’impression descend légèrement et le processus recommence jusqu’à achèvement. Avec cette méthode de fabrication additive, il est possible de créer des pièces complexes détaillées, avec une haute résolution. Plusieurs matériaux différents peuvent être combinés pour un même objet. La résine polymère est cependant peu résistante et réagit à la lumière et à la chaleur.

 

Stéréolithographie (SLA)

La stéréolithographie (ou SLA) fait partie des techniques de fabrication additive les plus anciennes, puisqu’elle date de 1986. C’est un procédé qui utilise un réservoir rempli de photopolymères liquides, qui sont solidifiés par une lumière UV. La technologie SLA requiert une structure de support durant l’impression 3D. Une fois l’impression achevée, les supports sont à retirer à la main. La pièce en résine doit ensuite subir un traitement UV pour être plus robuste. La SLA offre des objets aux détails précis, avec une surface très lisse. Les pièces sont cependant fragiles face à la lumière. C’est dans le milieu médical que la stéréolithographie est la plus utilisée, notamment dans l’industrie dentaire. Elle est aussi employée dans l’art, l’automobile, la mode, l’éducation et l’ingénierie.

 

Frittage sélectif laser (SLS)

Le frittage sélectif laser, ou SLS, consiste à chauffer de fines particules de matière pour obtenir des pièces en 3D, à l’aide d’un laser. Il produit majoritairement des pièces en plastique, mais aussi des pièces en métal, en céramique ou en poudre de verre. Contrairement aux autres procédés de fabrication additive (comme la SLA), le SLS n’a pas besoin de structure support : cela permet de créer des modèles aux formes plus complexes. Le matériau de construction est déposé en fines couches dans la chambre d’impression à l’aide d’un rouleau, puis un laser chauffe le matériau pour fusionner les particules de façon sélective. Le bac d’impression descend ensuite d’une couche. Le procédé se répète jusqu’à obtenir un objet solide complet.

 

X-Fab, le Fablab de l’École polytechnique

L’École Polytechnique possède son propre FabLab : X-Fab, un espace de 1000m² pour travailler sur des prototypes et développer des produits innovants. Des experts sont présents dans le FabLab pour accompagner les étudiants, les entrepreneurs et les chercheurs dans leur itération. Une quarantaine de machines sont accessibles, dont un parc d’imprimantes 3D multi matériaux (FFM, résine, composite, grand format, simple et double extrusion).

 

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