Impression 3D : à chaque besoin son procédé

Derrière l’appellation d’impression 3D se cachent plusieurs procédés permettant de réaliser différents projets. Fabien Pettelot, technicien support clients Proto Labs France, et expert de l’impression 3D revient sur les spécificités des six technologies majeures de l’impression 3D. La compagnie américaine Proto Labs est un leader mondial de la fabrication numérique et du prototypage rapide.

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Impression 3D : à chaque besoin son procédé
Fabien pettelot

Les technologies d’impression 3D servent aujourd’hui essentiellement aux pièces de démonstration, marketing ou prototypes ou encore pour la fabrication de pièces de rechange à la carte (ex : fabrication de pièces de rechange qui ne sont plus commercialisées). Mais du fait de leur besoin constant d’innovation et de quantités mesurées, les secteurs de l’aéronautique et du médical utilisent déjà amplement l’impression 3D, même si son coût est encore élevé. Du côté de l’industrie automobile, les fabricants commencent aussi à s’y intéresser pour de la production finale : comme pour l’aéronautique, ils font de plus en plus face à des contraintes de poids et de normes anti-pollution.

Le grand défi est à présent le développement d’un choix de matières plus large et plus fonctionnel ainsi que l’augmentation des vitesses de production et des capacités des machines. Autrement dit, il faut passer à une véritable industrialisation. L’impression 3D ne remplacera pas les autres technologies de fabrication (usinage, moulage par injection), chacune ayant ses propres avantages. Elle amènera de nouvelles possibilités.

A chaque besoin, son procédé

Les entreprises privilégiant l’impression 3D le font pour deux critères de choix : lorsqu’elles ont besoin d’une ou de quelques pièces pour valider un prototype, ou lorsqu’elles cherchent à obtenir un design particulier qui s’avère irréalisable autrement.

Si toutes les technologies d’impression 3D reposent sur le principe d’une construction couche par couche à partir du modèle 3D de la pièce, elles ne se valent pas : leurs applications et résultats diffèrent. Seul le DMLS se démarque aujourd’hui avec des pièces réellement fonctionnelles. Faisons un tour d’horizon :

  • Le dépôt de fil (FDM) consiste à déposer un fil de polymère extrudé à travers une buse chauffée.

Le fil chauffé vient alors se coller sur celui déposé au préalable. Pour réaliser la pièce, deux matériaux sont utilisés : une matière de modélisation qui constitue la pièce (ex : ABS, PLA, PC mais aussi PEI) et un matériau de support (PVA ou HIPS) qui pourra être dissous après impression.

Le FDM est la technologie la moins chère et est accessible au grand public (machine « de bureau » que l’on peut avoir à son domicile) mais elle est aussi la technologie la moins précise. L’effet de couche est très marqué, ce qui donne un état de surface assez grossier (couches nettement visibles et sensibles au toucher) et des caractéristiques mécaniques faibles. Les pièces ont donc une qualité très basique et un usage fonctionnel très limité. Il faut cependant noter qu’il est possible de produire des pièces colorées (jusqu’à trois couleurs sur une pièce) ou encore des matières alimentaires (chocolat, par exemple).

  • Le collage de poudre consiste à déposer couche par couche, par l’intermédiaire de têtes d’impression, des micro-gouttes de résine sur un lit de poudre minérale.

La résine va alors lier (coller) la poudre. La poudre non collée servira de support à l’objet.

Cette technologie est très utilisée dans la réalisation d’objets marketing (maquettes de bâtiments, figurines, etc.) car elle permet la réalisation de détails assez précis avec surtout un éventail de couleurs infini pour une même pièce. Les pièces restent en revanche très fragiles, sans possibilité d’application mécanique. A noter tout de même que de nouvelles poudres sont en développement (poudres plastiques, céramiques ou même du sucre).

  • Le frittage de poudre plastique (Selective Laser Sintering) consiste à utiliser un laser CO2 qui va solidifier une poudre plastique (principalement du polyamide) couche par couche.

Là encore, la poudre non solidifiée servira de support à la pièce. Par ailleurs, la poudre peut être chargée de fibres, billes de verre ou billes aluminium pour de meilleures propriétés mécaniques.

Ainsi, les pièces obtenues ont de bonnes caractéristiques thermomécaniques, légèrement inférieures à une pièce PA moulée du fait de l’effet de couche. Elles peuvent tout de même déjà avoir des applications fonctionnelles. Elles présentent un état de surface rugueux et ne sont pas réalisables en couleur (seuls le blanc, gris et noir sont disponibles), mais elles bénéficient d’une précision intéressante (environ +/- 0,2 mm).

  • Le frittage de poudre métal (Direct Metal Laser Sintering) utilise de la poudre métallique (aluminium, acier, inox, titane, alliage Inconel ou Chrome Cobalt).

Cette fois, la poudre seule ne suffit pas à servir de support, il est nécessaire de construire une sorte d’échafaudage en même temps que la pièce. Ce support en métal requiert des opérations de reprise non négligeables pour être supprimé.

Comme pour le SLS, l’état de surface obtenu est rugueux. Il est donc nécessaire de prévoir si besoin des finitions de polissage ou encore d’usinage si l’on souhaite des tolérances aussi précises qu’en usinage classique.

Le DMLS implique donc une expertise et des coûts élevés mais les pièces fabriquées sont totalement fonctionnelles, avec d’excellentes propriétés mécaniques équivalentes à celles rendues en usinage. Cette technologie est déjà très utilisée dans les secteurs de l’aéronautique et du médical de par les matières qu’elle propose et les designs sur mesure qu’elle permet de réaliser, designs qui seraient impossibles à réaliser avec d’autres procédés.

  • Polyjet / Multijet est un procédé utilisant des têtes d’impression pour déposer des micro-gouttes de résine photosensible, instantanément solidifiées par des flashs UV.

La pièce fabriquée nécessite un support qui est déposé en même temps. Il s’agit généralement d’une cire soluble ou fusible.

Cette technologie est très intéressante car elle permet de combiner sur une pièce différentes matières rigides et souples ainsi qu’une large gamme de couleurs. La précision est bonne et l’état de surface lisse mais les caractéristiques thermo-mécaniques restent limitées et les pièces vieillissent mal. Ces dernières restent donc principalement destinées à des phases de prototypage, tous secteurs confondus, mais en particulier pour ceux des biens de consommation ou les sports et loisirs.

  • La stéréolithographie (SLA) fait appel à un laser UV qui va solidifier une résine photosensible.

Il s’agit d’une résine liquide qui ne va pas pouvoir supporter la pièce en fabrication. Il faudra donc construire un échafaudage en même temps. Ce support nécessitera des opérations de reprise pour être retiré.

La stéréolithographie est le procédé d’impression 3D le plus ancien. Il offre des pièces de haute précision avec un état de surface lisse mais pas de couleur (uniquement du blanc, gris et noir). À noter tout de même qu’il est possible de réaliser des pièces transparentes, ce qui est très intéressant pour les secteurs de l’optique, la diffusion de lumière ou lorsqu’on souhaite visualiser et étudier l’écoulement de fluides. De plus, les pièces peuvent être peintes.

Avec cette technologie, les résines présentent des caractéristiques thermo-mécaniques limitées et vieillissent mal. Ainsi, la stéréolithographie reste principalement utilisée pour des phases de prototypage ou encore la fabrication de modèles de moules.

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