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Résumé

Très richement illustré, cet ouvrage de référence dresse un état de l’art de l'impression 3D personnelle et professionnelle en France et dans le monde. Il décrit avec précision les différents procédés liés à cette technologie, leurs applications, ainsi que les matériaux et les finitions possibles. Fournissant de multiples conseils techniques et pratiques, il passe aussi en revue les nombreux secteurs concernés par l'impression 3D : santé, transports, architecture, prototypage, électronique... Il montre enfin que ce mode de fabrication apporte des possibilités innovantes pour concevoir les produits de demain et répondre aux grands enjeux planétaires.

Cet ouvrage est aussi l’occasion pour l’auteure, qui a écrit en 2013 le premier livre français sur l’impression 3D, de faire un bilan de cette technologie, une petite décennie après sa déferlante en France. Ce mode de fabrication a-t-il tenu ses promesses ? Quelle est son implantation dans notre société actuelle ? On parlait de troisième révolution industrielle, où en est-on aujourd’hui ? Avec beaucoup de recul, Mathilde Berchon nous livre sa vision sur l’avenir de l’impression 3D, qui a certainement un rôle-clé à jouer dans l’industrie du futur.

Parmi les sujets abordés :

• l’explosion de l’impression 3D métal

• les formations d’impression 3D en France

• la modélisation paramétrique

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Éditions Eyrolles
61, bd Saint-Germain
75240 Paris Cedex 05
www.editions-eyrolles.com

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Remerciements

Je souhaite remercier mon éditeur Antoine Derouin pour sa confiance renouvelée et son soutien sans faille, ainsi que Léna Pontgelard pour ses relectures attentives et son aide précieuse.

Cet ouvrage n’aurait pas pu être écrit sans l’implication de la communauté française de l’impression 3D. Je remercie tout particulièrement Alain Bernard, Yannick Omnes, Thomas Batignon, Pierre-Antoine Pluvinage, Nora Touré, Paul de Scorraille, Alexandre Pfister, Émilie Dumas, Florian Berthelot et Benjamin Darmon, Anne Debauge, Sandrine Farré, Marie Thiébault, Paul-Henri Renard, Jean-Christophe Baudez, Jérémie Soulestin et Sébastien Remond, Jérémy Adam, Johann Mazelier, Marine Coré-Baillais, Manon Royer, Julien Benayoun, William Boujon, Pierre-Guillaume Silvain Ospina et Brieuc Saffré pour leur temps et la richesse de nos échanges.

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Avant-propos

« La précédente révolution industrielle a reposé sur une centralisation de nouveaux moyens de communication, des énergies fossiles et de moteurs à combustion interne. Cette infrastructure a connu son pic de performance il y a vingt ans. Elle est en train de mourir. Nous sommes à l’aube d’une troisième révolution industrielle avec une nouvelle convergence des communications, de la mobilité et de l’énergie. »

Jeremy Rifkin, 2019

Lorsque mon ouvrage L’impression 3D (éditions Eyrolles) a été publié en 2013, suivi d’une seconde édition en 2014, la fabrication additive connaissait une mise en avant médiatique sans précédent dans l’histoire des nouvelles technologies. L’impression 3D est rapidement devenue le symbole d’une nouvelle révolution industrielle. Nombreux étaient ceux et celles qui pensaient que chaque foyer allait bientôt s’équiper de sa propre imprimante 3D, véritable usine locale, qui serait capable de fabriquer à la demande les objets du quotidien, de réparer une pièce défectueuse, de personnaliser un outil pour lui ajouter des fonctionnalités particulières. Le partage numérique de fichiers 3D et la naissance de communautés d’utilisateurs laissaient présager l’émergence de nouveaux modèles de fabrication décentralisés et relocalisés. Les objets auraient chacun leur double numérique, ils pourraient être modifiés, téléchargés puis fabriqués localement, à la maison ou dans des micro-usines de proximité.

Aujourd’hui, une vaste communauté d’acteurs partage cette vision dans le monde entier et développe des machines accessibles, des logiciels de modélisation intuitifs et faciles à prendre en main. Les plates-formes de partage se multiplient pour mettre à disposition des catalogues de dizaines de milliers d’objets et de pièces. Des ateliers partagés ouvrent dans chaque ville pour permettre à tous de s’initier à la fabrication numérique.

Les grandes promesses de l’impression 3D ne concernent pas que les particuliers. Au contraire, c’est bien dans le monde industriel et professionnel que les attentes de résultats sont les plus fortes. D’abord réservée presque exclusivement à des applications en prototypage et outillage rapide, la fabrication additive évolue et se présente de plus en plus comme une solution de production. Les entreprises s’équipent, portées par la puissance du récit d’innovation lié à ces procédés.

Cependant, pour les particuliers comme pour les professionnels, les premiers investissements se soldent pour beaucoup par des déceptions. Après quelques week-ends passés à les découvrir et explorer leurs fonctionnalités, les imprimantes domestiques se retrouvent au placard. Les imprimantes professionnelles, quant à elles, sont souvent mal exploitées et la vie de l’entreprise reprend peu à peu son cours.

Force est de constater que la révolution industrielle de l’impression 3D n’a pas encore eu lieu pour l’instant. La difficulté à faire évoluer des habitudes bien ancrées, à se former à une nouvelle technologie, à libérer du temps et des ressources pour expérimenter des résultats limités ont eu raison de la majorité des intéressés. Les pionniers du secteur, passionnés, n’ont pas réussi à emmener avec eux un second cercle d’utilisateurs. L’effet boule de neige a été interrompu dans sa course.

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PARTIE 1

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Chapitre 1

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Chapitre 2

Courte histoire de l’impression 3D

Si l’attention médiatique portée sur l’impression 3D laisse à penser qu’elle est née il y a quelques années à peine, il n’en est rien. Les premières imprimantes 3D commercialisées datent du milieu des années 1980, il y a plus de trente ans ! D’abord réservés à des applications en prototypage, les procédés, machines et secteurs d’activité se sont diversifiés au fur et à mesure des découvertes et des améliorations. L’impression 3D connaît aujourd’hui une nouvelle phase passionnante de passage à la production de pièces finies.

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Chapitre 3

Les procédés d’impression 3D

La fabrication additive compte une grande variété de procédés, présentant chacun des particularités, des points forts mais aussi des contraintes particulières. Comprendre pleinement les principes de fonctionnement des grands procédés d’impression 3D permet d’anticiper ses besoins et de déployer de nouvelles possibilités pour ses projets de fabrication.

CLASSIFICATION DES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS

La variété de processus d’impression 3D étant très grande, il n’est pas toujours évident de bien s’y repérer. En effet, l’impression peut se faire à partir de matériaux liquides, solides ou en poudre. L’objet peut être formé par laser, projection de lumière, de gouttelettes, par dépôt de filament ou encore encollage de papier.

Par ailleurs, les constructeurs d’équipement utilisent leurs propres appellations pour décrire leur technologie, généralement propriétaire et protégée par des brevets. Les noms des procédés sont souvent en langue anglaise et raccourcis en acronymes. On entendra ainsi parler, par exemple, de FDM, FFF, SLA, DLP, CLIP, SLM, DMLS, MJ, MIM, MJF, DED ou encore WAAM.

Ce chapitre a pour objectif d’aider à se repérer dans le vaste champ des possibles de l’impression 3D.

LES SEPT GRANDES FAMILLES DE PROCÉDÉS

Le comité F42 sur les technologies de fabrication additive (ASTM F42), auquel ont notamment participé des experts français de la fabrication additive, a défini sept grandes familles officielles de procédés. Cette classification, reconnue internationalement, est très utile pour se repérer et pouvoir travailler avec les professionnels de l’impression 3D partout dans le monde. Elle évolue en permanence pour accompagner les nombreuses innovations dans le secteur.

Ainsi, les sept familles de procédés de fabrication additive sont les suivantes :

•l’extrusion de matière, ou Material Extrusion (ME) : le matériau est extrudé et déposé par une tête d’impression ;

•la photopolymérisation, ou Vat Photopolymerization : un matériau liquide est solidifié grâce à la lumière ;

•la fusion sur lit de poudre, ou Powder Bed Fusion (PBF) : un laser vient fusionner la matière ;

•la projection...

Chapitre 4

L’impression 3D impacte tous les secteurs d’activité

La fabrication additive est partout. Elle est utilisée en phase de prototypage pour tester les idées créatives, convaincre les décisionnaires et développer la version fonctionnelle du produit à venir. Elle est employée pour produire une partie des moules et des pièces d’outillage en usine. Et elle sert aussi désormais à la production de pièces finies.

Dans quels secteurs est utilisée l’impression 3D ?

Les secteurs qui font le plus appel à la fabrication additive sont l’industrie (19,8 %), l’automobile (19,6 %), l’aéronautique (17,7 %), les produits de consommation comme la bijouterie (13,6 %), le médical (11,5 %), le militaire (5,2 %), la recherche scientifique (4,7 %) et enfin l’architecture (2,8 %), selon le rapport Wohlers paru en 2019.

L’IMPRESSION 3D, REINE DU PROTOTYPAGE

Tout produit déployé sur le marché fait l’objet d’une phase de recherche et développement, puis de conception. Les prototypes ont pour objectif de matérialiser une étape d’évolution d’un projet. Ils permettent de tester plusieurs concepts avant de valider une valorisation commerciale. Ils sont indispensables à plus d’un titre : tests utilisateurs, démonstration du concept, validation des choix de conception, préparation des spécifications techniques.

La phase de conception débute par la création d’une modélisation 3D de l’objet qui peut être associée à une première maquette rapide du concept. Vient ensuite la fabrication de prototypes de démonstration. L’objet est construit à taille réelle, en respectant avec précision ses caractéristiques de formes et de fonctionnalités. Plusieurs prototypes sont créés lors de cette phase afin de tester différentes hypothèses. La dernière étape consiste à produire des modèles de présérie qui valident la faisabilité technique et économique du projet avant modification et lancement final en production. Des pièces intermédiaires peuvent être produites entre chacune de ces trois phases pour valider un point particulier et améliorer le processus de conception.

L’impression 3D s’est positionnée dès sa création à la fin des années 1980 comme une technologie très adaptée à ces étapes de prototypage. La réalisation de maquettes et de démonstrateurs est une activité lente et complexe, qui implique l’utilisation de nombreux matériaux, outils et machines dédiés à la création de pièces en un nombre d’exemplaires très réduit. L’impression 3D permet de produire très rapidement des prototypes complexes avec un haut niveau de détail. Des mécanismes fonctionnels et des propriétés internes peuvent également être intégrés au modèle. Des jeux de transparence, la possibilité de combiner plusieurs matériaux, le sur mesure ou encore l’imbrication exacte d’éléments sont autant de raisons qui ont fait de l’impression 3D la référence parmi...

PARTIE 2

CRÉER

Cette seconde partie explore chaque étape du processus d’impression 3D : phase de modélisation, phase d’impression, choix des matériaux et phase de post-traitement. À chaque étape, le...

Chapitre 5

La phase de modélisation

La première étape du processus d’impression 3D, souvent appelée « workflow », est la phase de modélisation numérique. En effet, la réussite d’une impression 3D réside en priorité sur le modèle 3D envoyé à la machine. Pour obtenir le résultat souhaité, il faut modéliser en prenant en considération les contraintes propres à la technique de fabrication additive choisie et respecter les différentes étapes pour bien préparer son fichier.

TROIS GRANDES ÉTAPES AVANT L’IMPRESSION

Commençons par un résumé du processus de préparation du fichier, c’est-à-dire des étapes de préparation nécessaires avant de lancer une impression.

1.Étape 1. Création d’un fichier de modélisation 3D, en respectant les contraintes de l’impression 3D.

Modélisation 3D

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Chapitre 6

La phase d’impression

Chaque système d’impression présente différentes caractéristiques qui impliquent de placer et penser les pièces selon des contraintes spécifiques. Dans ce chapitre, nous allons ainsi explorer les particularités d’impression de chaque famille de procédés.

Mais tout d’abord, nous allons présenter trois grandes règles communes à toutes les techniques de fabrication additive.

LES TROIS GRANDES RÈGLES D’IMPRESSION

L’ÉTAT DE SURFACE DÉPEND DE L’ÉPAISSEUR DE COUCHE

Chaque procédé fonctionne par addition successive de couches de matière. Ces couches ont une épaisseur, c’est-à-dire une hauteur, propre à la technique, au matériau et aux paramètres choisis pour l’impression. Quelle que soit le processus utilisé, l’épaisseur de couche est le premier facteur commun qui déterminera la finesse des détails à l’impression. Plus la hauteur de couche est petite, plus la surface sera lisse, mais plus le temps d’impression sera long. Une hauteur de couche plus grande permettra donc d’imprimer plus rapidement mais avec un état de surface plus rugueux et souvent une moins grande précision.

Trois épaisseurs de couche, de la plus fine (à gauche) à la plus épaisse (à droite)

Pour un prototype rapide, on choisira donc une plus grande épaisseur de couche, alors qu’une épaisseur plus fine s’adaptera mieux à une pièce esthétique ou fonctionnelle (pièces qui s’emboîtent, par exemple). Par défaut, chaque procédé d’impression a une épaisseur de couche moyenne recommandée.

Épaisseur de couche minimale

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Chapitre 7

Les matériaux

Ce chapitre explore le monde des matériaux utilisés en impression 3D, les plus courants étant les polymères et les métaux, suivis des céramiques. Il permettra de commencer à se repérer dans le vaste catalogue des matériaux compatibles avec la fabrication additive pour imaginer de nouvelles expérimentations en conception produit. Les possibilités sont nombreuses.

QUELS MATÉRIAUX POUR QUELS PROCÉDÉS D’IMPRESSION ?

Chacun des procédés de fabrication additive est compatible avec plusieurs types de matériaux. Une seule technique permet donc d’imprimer dans différentes matières. Le tableau suivant présente les matériaux compatibles pour chaque procédé.

Compatibilité des matériaux avec les procédés d’impression

POLY​MÈ​RES
COMP​OSI​TES
MÉTA​UX
A

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PARTIE 3

AGIR

Entrer dans le monde l’impression...

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