Impression 3D, Etes-vous vraiment prêt ?

Il est important de reposer de quoi nous parlons exactement. Nombreuses sont les parutions autour de la fabrication additive et des imprimantes 3D. La pratique s’est fortement démocratisée, notamment par l’accès au grand public. Ici, bien que centré sur les besoins des entreprises, les principes que nous abordons ici s’appliquent également aux particuliers.

L’idée visée est de produire des objets, parfois complexes, rapidement, à coût maitrisé, éventuellement personnalisés. C’est la réactivité et la facilité de mise en œuvre qui sont recherchées. Généralement, les entreprises engagent une réflexion sur la fabrication additive pour répondre à trois besoins :

1. le prototypage rapide. Dans le cadre d’un développement de produits, composants ou autres, pour valider des concepts et confirmer les orientations esthétiques, ergonomiques et/ou fonctionnelles ;
2. l’outillage rapide, pour répondre aux besoins de produire rapidement des petites séries. Aujourd’hui, des empreinte de moules prototype d’injection ou encore des modèles fusibles pour cire perdue pour la fonderie sont réalisés en impression 3D ;
3. la fabrication de pièces finalisées plus ou moins complexes. Il peut s’agir de produits de toutes sortes en utilisation directe ou en pièces de remplacement.

Au prime abord, l’impression 3D est très séduisante : des coûts de mise en route attractifs, des délais d’exécution réduits et des solutions de personnalisation nombreuses. Bien sûr, cette solution impose des quantités limitées, des tolérances plus larges (possibilité de reprise d’usinage si surépaisseur) et le choix de matériaux plus exigeant. Néanmoins, dans nombres de contextes, par rapport à une production traditionnelle (usinage/moule/injection…), elle reste très attractive. Nous allons voir que si cela reste vrai, ce n’est pas aussi simple qu’il y paraît. Vous verrez aussi comment un partenaire de conception peut vous accompagner pour performer.

Si la fabrication additive est une technologie en permanente et rapide évolution, l’idée est toujours la même. Réaliser des pièces complexes – ou non – à partir d’un dessin volumique informatique. Pour imprimer en 3D, finalement, vous avez besoin de :

• une imprimante 3D,
• potentiellement d’enceintes de post-traitement (thermique ou ultra violets),
• des consommables : la matière sous forme de filaments, de poudres ou de résines,
• un fichier 3D,
• un logiciel de slicing qui va convertir votre modélisation 3D en un langage interprétable par l’imprimante.

Le procédé de fabrication part donc d’un modèle numérique qui sera ensuite transformé en objet tridimensionnel.

1. La Conception
   • Création du modèle 3D en CAO (Conception Assistée par Ordinateur) : c’est le plan volumique de l’objet,
   • Création du fichier STL (Standard Triangle Language) : langage compréhensible pour le slicer (ou trancheur) ;
2. La Préparation
   • Export des fichiers via un logiciel “Slicer” : générer couche après couche,
   • Définition, découpage en couches et paramétrage de l’impression,
   • Définition de l’orientation, des supports, vitesse, etc.
3. L’Impression
   • Placement de la pièce sur le plateau,
   • Réglages du plateau chauffant,
   • Réalisation de la pièce couche après couche ;
4. Le Post-Processing
   • Nettoyage,
   • Suppression des supports,
   • Sablage, usinage, etc,
   • Etuvage éventuel.

Maintenant les données de base posées, entrons dans le détail des différentes techniques d’impression. Nous n’allons pas faire une liste exhaustive et détaillée de tout ce qui existe sur le marché. La littérature sur le sujet est déjà très large sur le net. Nous allons plutôt présenter succinctement les procédés les plus courants.

Tout d’abord,  la norme ISO/ASTM 52900 les a classés en 7 familles :

source : https://metalblog.ctif.com

Ensuite, nous considérons que 3 éléments entrent dans le choix du procédé :

1. Les propriétés requises : solidité, durabilité, résistance aux chocs et à la chaleur…
2. Les capacités de production : volumes, quantités, épaisseurs, complexité, précision…
3. La finition : surface lisse, peinture, post-traitement…

C’est le plus courant car très facile à mettre en œuvre. Des filaments de plastique sont fondus et déposés sur la plateforme d’impression via la tête d’extrusion et sa buse chauffante. L’imprimante déplace la tête d’extrusion au fil des différentes couches. Une fois la couche terminée, le matériau refroidit et se solidifie.

Les opérations de post-traitement sont assez réduites et se limitent généralement au retrait des supports éventuels. Une opération de ponçage de surface peut s’avérer nécessaire.

+ Faible coût, rapidité d’exécution et applications fonctionnelles, choix varié de matériaux,

– Une précision limitée et des propriétés mécaniques anisotropes.

Il existe deux techniques de photopolymérisation, le SLA et le DLP. Les deux sont relativement similaires. Le principe de base est l’utilisation d’une source de lumière UV pour solidifier un polymère liquide, généralement une résine. Le SLA recourt à un laser à point unique. Tandis que le DLP utilise un projecteur de lumière numérique.

Ici, la pièce obtenue n’est pas encore prête à l’emploi. Après un premier nettoyage, elle est soumise à une lumière UV pour renforcer sa résistance. Ensuite reste encore la finition avec le retrait des supports et autres traitements de surface (ponçage, polissage, peinture, etc.).

+ Une très grande précision dimensionnelle, possibilité de créer des géométries très complexes, finition de très haute qualité, des matériaux parfois biocompatibles.

– une fragilité certaine, une dégradation constatée à l’exposition au soleil tant au niveau des propriétés mécaniques que colorimétriques, le recours systématique à des supports pouvant laisser des traces en surface.

Encore une fois nous n’allons pas détailler toutes les matières proposées sur le marché. Des nouveautés arrivent en permanence et les possibilités sont infinies. Cela étant, deux grandes familles se distinguent : les plastiques et les métaux. La première est excessivement vague et de la loin la plus courante. La seconde, bien que plus récente, est en plein essor. Notons également que les céramiques peuvent aussi être utilisées en impression 3D.

PLA : largement le plus courant, notamment parce que le moins cher. Biodégradable et parfois issu de matériaux recyclés, il s’inscrit dans la tendance “verte” du moment et soulage les consciences. De ce fait aussi, on le retrouve dans la fabrication d’emballages alimentaires. Mais attention, il est sensible à l’humidité. La température est également un point sensible à bien surveiller pour un taux d’échec relativement faible en impression 3D. Il est beaucoup utilisé en FDM.

PETG est aussi facile à imprimer et donc particulièrement courant en dépôt de fil. Son principal atout est sa résistance aux chocs, à l’humidité et aux produits chimiques.

TPU : se démarque par son élasticité du fait d’une faible dureté. Il se plie et se comprime facilement. Son homogénéité mécanique permet la fabrication de pièces particulièrement isotropes. Le pendant de sa résistance à l’abrasion, rend les procédés de post-traitement particulièrement difficiles.

Nylon ou polyamide se retrouve sous forme de filaments et de poudres. C’est pourquoi on l’utilise en SLS. Ses propriétés mécaniques l’indiquent tout spécialement pour les applications fonctionnelles. Il est également résistant à l’abrasion et aux produits chimiques. Cependant l’imprimante 3D devra être équipée d’un plateau chauffant pour pouvoir manipuler du nylon. Son stockage est aussi à surveiller car hygroscopique son impression peut vite être délicate en cas d’hygrométrie importante.

ABS : Autrefois très populaire, il est de plus en plus remplacé par e PETG. Malgré des propriétés mécaniques et thermiques très intéressantes, son odeur et les difficultés d’impression rencontrées l’ont petit à petit rendu moins séduisant.

Résines : Se retrouvent surtout en prototypage car les pièces obtenues sont assez proches de l’injection plastique notamment de par leur surface lisse et la possibilité de produire des pièces particulièrement détaillées.

PEEK : C’est un polymère aux propriétés thermomécaniques très intéressantes. Cependant il est assez difficile à imprimer. On le retrouve surtout dans les industries de pointe telles que l’aéronautique, le médical et l’automobile. Il exige des machines très performantes, du personnel spécifiquement formé et une grande expérience de la fabrication additive.

PEI est un autre thermoplastique élitiste car très spécifique et donc relativement cher. Il offre cependant de très belles performances en termes de résistance à la chaleur et même aux flammes.

Pour finir nous évoquerons les composites. Une charge plus ou moins importante est ajoutée à une matrice plastique. Il s’agit par exemple de fibres de carbone (FDM, SLS), de billes de verre (SLS) ou encore de matières organiques (biopolymères) telles que le bois ou encore le marc de café.

La fabrication additive à partir de métaux est particulièrement prisée en aéronautique, médical et automobile. Elle permet en effet la réalisation de pièces très complexes à un coût bien plus compétitif que la production traditionnelle. C’est un segment en plein essor car les opportunités sont de plus en plus nombreuses avec le développement des machines d’impression de métaux.

Acier inoxydable : particulièrement retenu pour sa facilité d’usage que ce soit en soudure, usinage et polissage. La finition de surface des pièces réalisées est un atout majeur. Il est également intéressant en résistance à la corrosion et à l’usure. Pour toutes ces raisons, il est le métal le plus utilisé en impression 3D et particulièrement dans l’industrie.

Aluminium plus particulièrement sous forme d’alliage. Son excellent rapport poids/résistance le rend spécifiquement séduisant lorsque légèreté et solidité sont des critères de performance, par exemple dans l’aéronautique. Comme en plus il dispose d’une bonne conductivité thermique et électrique et une résistance naturelle aux intempéries, il séduit de plus en plus.

Titane s’appuie sur des propriétés mécaniques intéressantes et une résistance à la corrosion notable. On le retrouve aussi dans le médical du fait de son faible poids et ses qualités biocompatibles. L’ingénierie haute performance recourt de plus en plus à ce matériaux tout comme les sports mécaniques.

Il existe bien sûr d’autres métaux utilisés en impression 3D comme le Cuivre, l’Inconel ou encore le Cobalt Chrome mais ils restent encore un peu plus anecdotiques.

Nous voilà dans le vif du sujet. Et certainement pas l’étape la plus simple à aborder. Par contre, elle est stratégique. Nous l’avons vu précédemment, l’impression 3D consiste à produire des objets à partir d’un dessin informatique. Tout part donc du modèle numérique de votre projet. Et vous allez le voir, un accompagnement n’est pas toujours un luxe mais une garantie d’optimisation.

Vous devez donc commencer par créer le fichier volumique de l’objet à imprimer, c’est à dire le “plan” de l’objet physique. Il s’agit d’un fichier au format STL, issu d’une DEFN – DEFinition Numérique. Et vous voilà confronté à une première difficulté. En effet, pour réaliser cette étape, vous avez besoin de :

• Savoir-faire en conception de produits,
• Compétences en dessins CAO 3D,
• Personnel formé à la conception pour la fabrication additive,
• Un logiciel avec les licences et droits inhérents,
• De temps à investir.

Si vous ne pouvez concevoir vous-même, les banques de données peuvent être une solution. En effet, il existe en ligne plusieurs plateformes OpenSource – ou payantes – de fichiers STL. Vous pourrez y télécharger des données à partir des ressources en ligne. Il y a par exemple thingiverse.com ou encore cults3D.com. Dans la masse de ressources disponibles sur ces plateformes de téléchargement, si vous le souhaitez, Hoggar Solution peut mener la recherche pour trouver un support pertinent.

Bien que ces bibliothèques soient particulièrement intéressantes et bien fournies, y recourir suppose que vous voulez un produit “standard”, déjà existant. Exit la personnalisation. Exit votre besoin spécifique.

C’est le format standard nécessaire à la fabrication additive. Toutes les imprimantes 3D l’utilisent. Si nous voulons être complet nous préciserons qu’il existe d’autres formats de fichiers^, comme le 3MF par exemple. Néanmoins, le STL reste pour le moment le format de référence.

Le principe de ce fichier est de modéliser sous forme de mosaïque de triangles les surfaces intérieures et extérieures de votre objet 3D solide. Evidemment, plus l’objet est complexe, plus le nombre de triangles est élevé. Il contient toutes les informations nécessaires à la production de l’objet. C’est pourquoi il est primordial de bâtir un maillage extrêmement précis. Du fait de cette précision très pointue, il est important de garder à l’esprit également qu’il est très pointu de “réparer” un fichier STL endommagé. Cela nécessite une certaine expérience et les bons outils. L’opérateur doit en effet vérifier entre autres les épaisseurs, les points d’encrage, le nombre de triangles, les trous, les écarts, les intersections, les chevauchements, etc.

Concevoir en vue d’une fabrication additive est différent de la conception “classique”. En effet, les contraintes spécifiques de l’impression 3D doivent impérativement être intégrées dès la phase de conception. Comme toujours, tout repose sur une méthodologie claire qui prend en considération votre besoin et votre environnement.

Tout d’abord, les critères essentiels à prendre en considération sont :

• La taille de la pièce. Le savoir-faire du concepteur peut faciliter son intégration et son positionnement sur le plateau d’impression,
• le choix des matériaux. Les connaissances de l’opérateur sur les spécificités des différents matériaux permettent de réaliser le choix le plus juste selon vos objectifs. Egalement il intègre les caractéristiques matière dans la conception pour en tirer tous les bénéfices,
• les critères de qualité à atteindre. C’est à dire les propriétés mécaniques objectivées, les tolérances acceptables, mais aussi l’intégration d’une certification éventuelle (surtout dans le médical et l’aéronautique) ou encore l’environnement dans lequel l’objet sera utilisé, encore plus s’il est spécifique.

La fabrication additive est indéniablement un atout dans nombre de cas. Elle apporte tellement de souplesse, de réactivité, de perspectives qu’elle est un véritable outil de performance. Mais on l’a vu précédemment, il n’est pas si facile de se lancer tant les données à considérer sont nombreuses. Un expert de la conception vous apporte son expérience (plus de 20 ans d’utilisation et de conception pour l’impression 3D pour Hoggar Solution). Appuyez-vous sur le retour d’expérience et sur l’expertise terrain de l’utilisation des pièces produites en impression 3D.

Hoggar Solution conçoit vos pièces en prenant en compte votre solution de production. Les process de fabrication sont adaptés aux besoins, aux caractéristiques attendues de votre pièce. Enfin, nous nous appuyons sur tout un réseau de partenaires experts dans les différentes technologies existantes.

Un partenaire de conception est l’interface pour la réalisation des fichiers CAO car il optimise selon votre contexte, vos moyens, votre fabrication. Un tel prestataire définit la technologie la plus pertinente, les matériaux les plus adaptés et réalise vos mesures et caractérisation pour une fabrication additive affinée.

Un bureau d’ingénierie comme Hoggar Solution conçoit vos fichiers à partir :

• d’une pièce réelle à reproduire,
• d’une pièce cassée à refaire,
• d’un croquis d’idées,
• d’un rush design…

Enfin, notre rôle est de vous accompagner dans l’optimisation économique de votre projet. Cela veut dire définir sa faisabilité économique selon la complexité de la géométrie et le coût par pièce.

De nombreux éléments impactent le coût par pièce. Nous travaillons sur un large spectre pour considérer le coût le plus ajusté au vu de votre cahier des charges.

• La conception. Hoggar Solution conçoit vos pièces en améliorant les épaisseurs et la densité de la pièce. Lorsque le contexte le permet, nous pouvons évider ou encore créer des maillages internes pour renforcer la solidité. Nous optimisons la topologie pour réduire les masses, gérons les formes, dimensions, épaisseurs des couches pour améliorer les temps d’impression.
• La technologie. Nous travaillons à minimiser au maximum les contraintes résiduelles par une maitrise mécanique forte : définition de la stratégie de lasage ajustée, puissance laser, hygrométrie, température, vitesse d’impression, caractéristiques matière, etc.
• La production. Nous étudions le positionnement des pièces sur le plateau d’impression pour maximiser l’imbrication des pièces et ainsi multiplier leur nombre par cycle.
• L’orientation des pièces influe sur le coût par pièce et sur le temps de production, notamment dans l’impression métal. En effet, selon l’orientation choisie, nous allons plus ou moins engager de poudre. Mais également plus une pièce en métal est haute à produire, plus elle prend de temps de production donc moins l’amortissement de la machine est performant. Nous allons également choisir l’orientation qui préserve le mieux les caractéristiques mécaniques de votre pièce afin de ne pas impacter l’anisotropie du produit.
• Le post-processing. Il est essentiel de considérer les opérations de post-traitement dès la phase de conception : gestion améliorée des supports, des imperfections, des contraintes d’aspect, réduction des pertes, etc.
• Le contrôle. Nous réalisons les opérations de mesure, de caractérisation et de précision de vos pièces.