Sortie scolaire : les développeurs et l'impression 3D

L’impression 3D, c’est quoi ?

par Gianni Obiglio

L'impression 3D est une technique de fabrication par ajout de matière, en couche successive. Elle se démarque de la fabrication par enlèvement de matière, ou l'on réduit petit a petit le volume du produit. Ce procédé révolutionnaire se développe rapidement, beaucoup n’hésitent d’ailleurs pas à le qualifier comme l’amorce d’une troisième révolution industrielle.

En effet, les économies d’argent et de temps sont colossales : Les imprimantes 3D impactent significativement les coûts et le temps de production, grâce à moins de main d’œuvre, moins de matériaux et des méthodes d’assemblage plus rapides et beaucoup moins coûteuses que des équipements traditionnels.

Les perspectives économiques et industrielles sont donc plus que prometteuses.

L’impression 3D fonctionne selon plusieurs procédés, celui-ci va dépendre du modèle de votre imprimante et des matériaux utilisés pour la réalisation de votre objet. Le site www.primante3d.com classe ces procédés en trois grands groupes :

• le dêpot de matière, c’est celle dont nous allons étudier le fonctionnement
• La solidification par la lumière
• l'agglomération par collage

Comment ça fonctionne ?

par Gianni Obiglio

Une imprimante 3D Ultimaker

Afin de d’imprimer un objet en 3 dimensions selon www.primante3d.com , vous aurez besoin :

• d’une imprimante 3D et d’une matière adaptée au processus de fabrication
• du fichier 3D (au format STL) de votre objet ou d’un logiciel pour le modéliser
• d’un logiciel pour préparer ce fichier
• d’un ordinateur pour effectuer ces opérations et transmettre à l’imprimante toutes les indications du fichier 3D

Conception de l’objet

Il est nécessaire de concevoir l'objet que l'on souhaite imprimer sur un logiciel de CAO (Conception Assistée par ordinateur). Il existe a l'heure actuelle de nombreux logiciels qui permettent de créer ses modèles 3D (certains gratuits et Open Source d’autres sont propriétaires).

Préparation du fichier STL

Avant de lancer l’impression il reste une dernière opération. Un logiciel va devoir découper en plusieurs tranches ce fichier STL, chacune d’entres elles représentant une portion du modèle à imprimer. Plus la résolution sera fine, plus il faudra de tranches et donc plus se sera long.

Fonctionnement de l’imprimante 3D

• L’impression démarre par la mise à température de la machine (autour de 200°C), nécessaire pour la fusion de la matière.
• Une fois la machine chauffée, un fil de matière, de l’ordre de 0.1 millimètre de diamètre, est alors extrudé sur une plateforme à travers une buse se déplaçant sur les axes, x, y
• La buse monte d’un niveau (axe z) à chaque nouvelle couche appliquée.

Une bobine de plastique PLA

Quels sont les modèles principaux du marché

par Ryan Gilles

Organisations & modèles Open Source

Le modèle de référence historique, qui est aussi un des précurseurs dans le monde de l'imprimante 3D open source/DIY depuis 2005 n'est autre que la RepRap (terme qui désigne une machine auto-répclicable).

Modèle 1.0 “Darwin” La machine de droite a été fabriquée avec celle de gauche (2005)

Il existe également un autre projet similaire initié la même année par Hod Lipson et Evan Malone de l’université américaine de Cornell dans l’état de New York nommé Fab@Home. Ce projet d'une manière générale vise également à rendre possible l'acquisition et la construction de sa propre imprimante 3D en utilisant des composants et logiciels libres.

Fab@Home Fabber Model 1 (2005)

Ultimaker 2

Imprimantes 3D professionnelles

Plus onéreuses (de 5000€ à 100 000€, voir plus) et dédiées à une utilisation professionnelle, permettant des créations plus complexes avec des matériaux et technologies plus poussées, il existe une multitude de marques & modèles sur le marché : Dimension 3D Printers, 3D Systems, Mojo, Fortus 3D Production Systems, uPrint SE, Objet…

Quelles sont les applications concrètes ?

par Ryan Gilles

Cela dépend principalement des fonctionnalités offertes par l'imprimante 3D mais concernant les modèles de la communauté Open Source comme les RepRap et Fab@Home, il s'agit principalement d’expérimenter de nouvelles créations & possibilités afin de repousser les limites actuelles.

Une utilisation concrète avec ce type d'imprimante est, par exemple, de créer des pièces de remplacement de petite taille pour les objets du quotidien (sans avoir à passer par un SAV quand c'est encore possible, si le produit est sous garantie et pas trop ancien...).

l'hébergeur OVH expérimente l'impression 3D pour ses propres besoins : 
http://www.ovh.com/fr/a1084.impression-3d-test-ovh

Une autre mode d'utilisation actuelle est de « cuisiner » en recréant des plats à l'aide de nourriture malléables comme des sculptures faites en sucre ou en chocolat.

des morceaux de sucre imprimés en 3D
http://www.priximprimante3d.com/sucrerie/

Dans le milieu professionnel, l'impression 3D permet d'élaborer des maquettes et prototypes de produits qui pourront servir de base à une production à plus grande échelle (moulage de pièces par exemple).

Les imprimantes professionnelles occupent aussi une place importante dans le domaine médical. En effet, elles permettent la création de prothèses sur mesure en se basant sur des modèles 3D scannés au préalable et retravaillés : http://www.europe1.fr/High-Tech/Imprimante-3D-des-protheses-pour-le-Sud-Soudan-1776685/

Les limites d’aujourd’hui

par Nicolas Giraud

Les limites techniques principales d’une imprimante 3D sont imposées par :

Les matériaux

Elle consiste, on l’a vu, à faire fondre en continu un filament de matière plastique (ou dérivée). Or tous les matériaux ne peuvent pas être “fondus” de cette manière.

La viscosité du matériaux une fois fondu est un élément déterminant : trop solide, il ne se déposerait pas régulièrement sur la couche précédente, trop liquide, il s’étalerait de manière incontrôlable sans vraiment donner de volume.

Le temps de solidification du matériau joue également un rôle important : trop rapide à sécher, il n’aurait pas le temps de se “coller” aux couches précédentes, trop lent, il se déformerait sous le poids des couches d’au dessus.

La liste des matériaux “imprimables” est donc pour le moment assez restreinte, même si de nombreux projets visent à en proposer de nouveaux : à base de bois, d’algues, de béton, de certains métaux… mais très souvent associé à un agent “plastique”.

Les caractéristiques de ces matériaux ne sont pas toujours exceptionnelles, et seront parfois de vrais freins selon l’objet qui sera fabriqué :

• Résistance mécanique à la torsion, aux chocs, aux vibrations, aux frottements : 
  je ne peux pas fabriquer un maillon de chaîne de vélo, une tête de fémur ou une dent, ça cassera ou s’usera trop vite.
• Résistance thermique au chaud et au froid : 
  je ne peux pas fabriquer un bac à glaçon, ou une poignée pour ma grille de barbecue, ça fondra, ça cassera ou ça se déformera.
• Qualité optique et résistance aux UV : 
  Même avec un plastique transparent, je ne peux pas fabriquer une optique pour le phare de ma moto: il ne sera pas aux normes, il se dégradera au soleil, il ne transmettra peut être pas assez de lumière.
• Propriétés chimique : émissions de particules, qualité alimentaire : 
  je ne peux pas fabriquer une fourchette dora pour les enfants, elle pourrait se casser et devenir dangereuse, du PLA ou des agents colorants pourrait se “décharger” dans les aliments.

La précision

Le volume d’impression correspond au déplacement possible de la tête d’impression dans les 3 dimensions. Ce déplacement doit être précis afin de reproduire fidèlement le modèle à imprimer, mais aussi et surtout parce que la méthode consiste à empiler des couches de plastique : la tête d’impression doit donc pouvoir répéter exactement les mêmes “trajets” des centaines de fois.

La majorité des machines du moment atteignent sans trop de peine une “résolution” d’un dixième de mm (0.1mm). cette résolution, ou précision, est dépendante de 3 principaux facteurs : la précision de la mécanique, la précision des logiciels, la nature du matériau utilisé.

A titre de comparaison, une imprimante 2D couleur à 100€ propose d’imprimer à 1200 DPI (1200 points de couleur par pouce), soit 47 points par mm, là où une imprimante 3D n’en propose “que” 10.

Pour le moment donc, tant que cette précision ne s’améliore pas, on devra exclure certaines application comme la mécanique de précision, l’horlogerie, les petits engrenages qu’on trouve en modélisme…

Exemple de “petites pièces” imprimées en 3D :
http://richrap.blogspot.fr/2013/01/its-small-world-tiny-3d-printing-on.html

La taille

Les lois de la mécanique font que la précision d’un assemblage mobile chute terriblement à mesure qu’on l’agrandit. Une imprimante 3D d’ 1 mètre cube devrait être construite à partir de matériaux de haute qualité (acier trempé étiré, aluminium extrudé, vis sans fin trapézoïdales) pour conserver une précision correcte sur l’ensemble de l’espace.

Le poids et les dimensions de ces pièces matériaux impliquerait une montée en gamme de l’électronique, de la motorisation, de l’alimentation électrique. Le prix de revient d’une telle machine grimperait alors de manière exponentielle.

La technique consiste donc à imprimer un grand objet en plusieurs petits qu’on assemblera à la fin. Ce n’est pas forcément gênant, mais pas toujours possible selon le modèle et l’application visée.

un canoé imprimé en 3D :
http://news.cnet.com/8301-17938_105-57620573-1/custom-3d-printed-kayak-is-a-homemade-work-of-art/

Le prix de revient global (matériaux, temps, équipement) pour de grand objets (mobilier, pièces mécaniques, électroménager) sera sans doute une variable déterminante dans le choix de cette technique.

La vitesse

Elle dépend là aussi de plusieurs facteurs :

• Le matériau, qui doit être fondu et se re-solidifier
• La mécanique, qui doit être robuste, minimiser les frottements et les vibrations 
• L’électronique, qui doit convertir des coordonnées en impulsions électrique à haute vitesse
• Les logiciels, qui doivent convertir des formes vectorielles complexes en trajets simples

La complexité de certains objets, par exemple, une sphère vide, dont la surface serait percée de centaines de petits trous (genre boule à thé), peut parfois entraîner des temps d’impression colossaux, qu’il faudra prendre en compte dans la démarche économique et écologique du projet :

Est ce que ça vaut le coup de mobiliser une imprimante pendant 24 heures non stop pour réaliser une pièce que je peux trouver à 10€ ?

Le design

La technique qui consite à empiler des couches de plastique fondu les unes sur les autres implique qu’il y’ait quelque chose pour “tenir la couche”. On ne peut pas imprimer dans le vide.

Bien qu’il existe quelques ruses, certaines pièces seront donc difficiles, voire impossible à réaliser de par leur forme.

A moins d’utiliser des modèles 3D “tout faits”, l’étape de modélisation demande un certain niveau de connaissances. Il faut en effet savoir comment fonctionne la machine pour créer un design “réalisable”.

Avec l’impression 2D, tout est automatique, l’image que vous souhaitez imprimer sera convertie par les logiciels et autres pilotes en une série d’instruction que l’imprimante exécutera. peut importe ce que vous imprimez. Une photo de chaton ou un pdf de 800 pages, c’est pareil.

En 3D, le designer de la pièce devra garder à l’esprit une série de contraintes techniques lors de la réalisation de son modèle: pas de pièces dans le vide, pas d’arrêtes ou d’angles inférieurs à un certain seuil, pas de surfaces trop minces, etc…

Certaines pièces seront très difficiles, voire impossible à réaliser proprement en une fois, sans utiliser de ruse ou d’usinage a-posteriori : cube ou sphères vides et fermés, ressorts hélicoïdaux, filetages et taraudages (sauf si très gros)...

Donc, on peut pas...

Pour généraliser, il semble nécessaire de prendre avec beaucoup de recul certaines affirmations sensationnalistes qu’on peut lire ici et là. Ça n’est donc pas pour demain qu’on pourra :

Imprimer des organes humain ou animaux : La chimie des tissus n’est pour le moment pas reproductible, la nature des matériau n’est pas compatible avec les milieu biologiques, la précision n’est pas encore suffisante, pas plus que leur résistance à l’usure ou leurs performances mécaniques.

Certaines application de l’impression 3D permettent cependant à la médecine de progresser : la reproduction en 3D du coeur d’un enfant à partir d’un scanner a récemment permit de valider un protocole opératoire avant d’ouvrir le patient. http://www.sciencesetavenir.fr/sante/20140227.OBS7957/le-c-ur-d-un-bebe-opere-grace-a-une-impression-3d.html

Dans d’autres cas, c’est une petite partie d’un organe qui peut être modélisée et imprimer pour être implantée chez le patient, ici une partie de la trachée chez un enfant : http://www.3dnatives.com/nourrisson-respire-attelle-3d/

Imprimer des pièces soumises à des efforts intenses : En mécanique automobile ou électroménager les pièces mobiles (roulements, axes, rotules, arbres) sont soumis à des contraintes qui dépassent largement ce que supportent les matériaux actuels. Le niveau de précision nécessaire à leur réalisation dépasse de loin les performances proposées par les machines du marché.

Si on ne peut pas imprimer un roulement à billes digne de ce nom, on peut utiliser cette technique pour fabriquer un support dans lequel il viendra se loger. C’est ce genre de pièces, introuvable dans le commerce parce que trop spécifique à ce qu’on veut en faire, qui font d’excellents candidats à l’impression 3D.

Imprimer en quantité des pièces à faible valeur économique : l’investissement initial, le temps de conception, de fabrication et de finition, l’énergie dépensée, le taux d’erreur, rendent parfois cette technique économiquement non-viable, vis à vis de la valeur des pièces produites.

C’est un peu comme si on voulait imprimer 5000 flyers avec son imprimante perso : le temps, le coût de l’encre, du papier et le niveau de qualité obtenu ne feront pas le poids avec les services d’un imprimeur pro, équipé des bonnes machines, qui vous fournira vos flyers pour 50€.

Elle trouvera par contre son utilité dans le prototypage, voire la micro-série, là où les techniques d’usinage et de production classiques ne permettent pas de produire des exemplaires uniques à des coûts raisonnables.

Imprimer des objets résistants à la chaleur : C’est peut être évident, mais si on y réfléchit, un bon nombre d’application sont de-facto excluses : articles de cuisine, pièces de moteur thermique, appareils de chauffage, outils d’usinage, carters de protection aux normes anti-incendie…

L’Ecosysteme

par Nicolas GIRAUD

Le marché n’en est pas encore, même si il s’en approche, aux offres packagées clé en main “ready-to-go”. Certains constructeurs fournissent leurs machines accompagnées de séances de formation, de suivi, de support. Ils se destinent principalement aux professionnels de la fabrication ou de l’usinage.

Concernant le marché vers les particuliers, associations, fablabs ou écoles, la tendance est à l’open-source, aussi bien dans le domaine matériel (OSHW) que logiciel. On peut donc aujourd’hui s’équiper d’une chaine complète de prototypage open source : logiciels de conception 2D et 3D, convertisseurs GCODE, et bien sur, imprimantes.

Leaders électronique

Les grands acteurs de l’électronique open source sont incontournables dans le processus d’évolution de l’impression 3D. Ils inventent, améliorent, modifient des cartes électroniques, des capteurs, des pilotes de moteurs, afin d’optimiser les performances des machines.
Ces acteurs sont principalement : http://arduino.cc, http://www.sparkfun.com, http://www.adafruit.com. Une jeune entreprise française http://www.snootlab.com propose le même genre de produits.

Fournisseurs de PLA

PLA, ABS, bois, algue, chocolat, chantilly, or, laiton.. les fournisseurs de bobines de filament sont peut être ceux qui ont le mieux compris cet écosystème. A l’époque de la ruée vers l’or, ils auraient vendu des pelles et des pioches. Une liste de revendeurs : http://reprap.org/wiki/Printing_Material_Suppliers

Partage de modèles 3D

De nombreux formats de données 3D se partagent le marché, mais quelques uns se démarquent au gré de la popularité des logiciels. N’espérez toutefois pas utiliser un modèle 3D de jeu vidéo comme source de données. Ce qui est optimisé pour un moteur de rendu 3D ne l’est pas pour une imprimante, et inversement.

Sur le web, on trouve de nombreux sites dédiés au partage de modèles 3D destinés à l’impression. Ils sont tout à fait adaptés à la Fabrication Assistée par Ordinateur et sont souvent réalisés par des utilisateurs d’imprimante 3D.

les plus populaires sont peut être : http://www.shapeways.com/ et http://www.thingiverse.com/

Hubs de fabrication en ligne

Des pure players sont apparus dans le monde de la fabrication numérique. Il fabriquent pour vous les objets que vous envoyez sous forme de modèle 2D ou 3D. Non contents de proposer de l’impression 3D, ils vendent également des prestations de découpe ou gravure laser, de fraisage numérique, etc.
Un des plus populaires : https://www.ponoko.com/ ou http://www.formulor.de

Les communautés en ligne

De nombreux sites amateurs traitent du sujet en profondeur, mais certaines communautés d’utilisateurs tendent à se regrouper. En témoigne les nombreux commentaires postés sur les blogs comme http://www.hackaday.com ou http://www.instructables.com

En france, bizarrement, la culture du DIY est moins largement développée qu’aux USA ou que dans les pays du nord, des sites comme http://www.semageek.com, qui traitent des mêmes sujets, ne succitent hélas pas autant d’engouement. Peut être que le public français attend une offre plus accessible, moins compliquée, quitte à perdre ce qui fait la force de ces machines, l’ouverture et l’esprit DIY.

Un portail français dédié à l’impression 3D : http://www.3dnatives.com/

les fablabs

Acteurs essentiels, ils cassent les barrières du web, de la langue, de la technique, et amènent aujourd’hui au grand public les technologies, les concepts et le matériel nécessaire. Souvent organisés sur un modèle associatif, ils fonctionnent pour la plupart en marge des collectivités, qui pour le moment ne comprennent pas grand chose à cet univers.

Sur Amiens, le jeune fablab @etoele se positionne en leader et tente de vulgariser l’impression 3D en proposant des démonstrations, des services et du matériel. http://etoele.com

Plus de fablabs : http://www.fablabs.io

Quels sont les scénarios d’évolution de cette technique ?

par Mathieu Orlando

Les possibilités de l'impression 3D donnent de l'imagination à beaucoup de monde. Des grandes sociétés se penchent déjà sur l'utilisation de cette technique afin de la perfectionner davantage et même de la faire évoluer sur des domaines dignes de la science fiction.

Ainsi nous apprenions il y a un an que la NASA se lancait dans la recherche et le développement d'une imprimante 3D permettant la fabrication de pizzas pour les astronautes. Une idée originale qui continue son bout de chemin et dont le développement est déjà bien avancé (https://www.youtube.com/watch?v=ISXqC-YPnpc). Cette évolution technique est loin d'être terminée et ne servira peut-être jamais le grand public, car peu fiable et trop coûteuse, cependant des idées d'utilisation de cellules souches et substances nutritives pour imprimante alimentaire sont actuellement à l'étude.

Mais les domaines d'application ne s'arrêtent pas là, en effet, la médecine s'intéresse énormément à cette technologie. En 2011, des chercheurs ont réussi à imprimer pour la première fois en 3D des vaisseaux sanguins artificiels. Une étape importante vers la production d'organes et de tissus artificiels aptes à la transplantation.

D'autres domaines tentent aussi leurs chances dans l'impression 3D tel-que la Mode, l'industrie automobile et la construction, à terme cette nouvelle technologie pourrait bien changer notre façon de vivre et même changer le monde.