L'impression 3D, C'est quoi ?
L'impression 3D
ou fabrication additive regroupe les procédés de fabrication permettant de créer des pièces en volume par ajout de matière en couches successives.
Elle s'oppose à la fabrication soustractive.
Cette famille de procédés a commencé à se développer au début des
années 1980 avec pour objectif principal de faciliter le prototypage
rapide, puisque le coût de production est pratiquement indépendant de la quantité produite.
Les applications de l'impression 3D sont multiples. D'abord cantonnée au prototypage et aux visualisations pour l'architecture ou les études de design, elle se développe ensuite dans le domaine de l'appareillage et la prothèse. Les évolutions technologiques successives en ont fait une technologie plus mature qui est aujourd'hui utilisée dans des domaines aussi variés que l'industrie, l'aéronautique, la construction, l'armée, la bioimpression, la pharmacie, l'alimentation ou encore la mode (notamment par Iris van Herpen).
Initialement réservée aux industriels du fait de son coût et sa difficulté de mise en place, l'impression 3D a connu une révolution dans les années 2000 à la suite des développements amorcés par le projet RepRap et l'expiration du brevet sur la technologie FDM (Fused Deposition Modelling).
De nos jours, l'impression de plusieurs matériaux est possible, selon le procédé utilisé. Les matériaux utilisés sont : le plastique (généralement PLA ou ABS, la cire, le métal (aluminium, acier, titane, platine), le plâtre de Paris, les céramique, le verre et même du béton.
Malgré les avancés majeures des années 2010, l'impression 3D domestique reste encore un hobby. S'il est désormais possible d'acquérir une imprimante 3D pour quelques centaines d'euros, celles-ci demandent encore une attention particulière et nécessitent d'être formé à son utilisation.
Historique, développements et prospectives
Prémices
L'imprimante 3D a d'abord relevé de la science-fiction (Arthur C. Clarke évoquait une « machine à répliquer » dans les années 1960, machine qui allait répliquer les objets comme on imprimait des livres, ce qui aurait un effet profondément positif sur la société : « l'humanité s'adaptera comme par le passé ) ou de la bande dessinée (en 1972, dans le dessin animé Tintin et le Lac aux requins, le professeur Tournesol invente une photocopieuse tridimensionnelle immédiatement convoitée par Rastapopoulos pour fabriquer des faux en dupliquant des œuvres d'art volées dans de grands musées).
Les premiers essais pour créer des objets solides avec des photopolymères (Dual Laser Approach) ont lieu aux États-unis à la fin des années 1960 au Battelle Memorial Institute.
A la même époque Wyn K. Swainson crée Formigraphic Engine Co et développe un procédé qu'il nomme photochemical machining.
A la fin des années 1970, les recherches de Dynell Electronics Corp sont les prémices du procédé LOM (Laminated Object Manufacturing).
Mais les premiers essais véritablement prometteurs sont réalisés au Japon en 1980 par Hideo Kodama qui crée l’ancêtre de la stéréolithographie
Historique
Le 16 juillet 1984, le 1er brevet sur la « fabrication additive » est déposé, par trois Français : Jean-Claude André, Olivier de Witte et Alain le Méhauté, pour le compte de la Compagnie industrielle des lasers (Cilas Alcatel).
Trois semaines plus tard, l’américain Charles "Chuck" Hull brevète la technique de stéréolithographie (SLA pour StéréoLithographie Apparatus). Il est également l'inventeur du format de fichier .stl, encore utilisé aujourd'hui pour échanger les fichiers 3D pour l'impression. Il est aussi le cofondateur de 3D Systems, l'un des géants de la fabrication d’imprimantes 3D.
Cette dernière lance fin 1988 la première imprimante 3D commerciale, la SLA-250.
En 1988, Carl Deckard crée le procédé SLS (Selective Laser Sintering) à l'Université du Texas à Austin.
En 1989 Scott Crump dépose le brevet du procédé FDM (Fused Deposition modeling) et fonde la compagnie Stratasys.
En 1993, la technologie Binder Jetting est développée par le MIT et commercialisée par Z Corporation.
en 1993, c'est aussi la création de la société Sanders Prototype.Inc, qui sera renommée Solidscape, introduisant le procédé de Material Jetting.
En 1996, la Fraunhofer-Gesellschaft développe le procédé SLM (Selective Laser Melting).
En 2004, Adrian Bowyer crée le projet RepRap, premier projet open source d’imprimante 3D, et donne naissance à la culture maker.
En 2005 naît la première imprimante couleur haute définition (entreprise Z Corporation), utilisant la quadrichromie comme les imprimantes classiques, et des pigments liés par de la colle à une matière minérale.
En 2009, les brevets FDM (Fused Deposition Modelling) expirent, ouvrant la voie à un fort développement de cette technologie.
En 2014, les brevets du SLS (Selective Laser Sintering) expirent à leur tour.
En 2017, c'est le brevet du SLM (Selective Laser Melting) qui expire.
Évolution et enjeux
Les premières imprimantes 3D apparaissent au début des années 2000. Cette technique utilise à ses débuts des résines, matériaux non propices à un usage intensif, et ne produit que des prototypes, parfois grandeur nature, son usage ultérieur reste un sujet de recherche et de débat.
Depuis 2010, la précision de l'impression et les typologies de matériaux augmentent sans cesse et l'avenir promet des progrès techniques.
En 2015, de nombreux observateurs estiment que ces techniques prendront une part importante dans la nouvelle forme de production. Jeremy Rifkin pense qu'elle pourrait être un des éléments de son concept de troisième révolution industrielle de même que Chris Anderson, écrivain et journaliste américain, auteur de Makers: The New Industrial Revolution.
Lors de son discours sur l'état de l'Union en février 2013, Barack Obama a indiqué sa volonté pour que les États-Unis investissent dans la création de centres d'impression 3D dans le but de dynamiser l'innovation et de créer des emplois.
Son développement pourrait relocaliser la production dans les pays riches, étant donné que désormais la main-d'œuvre serait devenue obsolète.
Des objets de grande taille commencent à être produits par la technologie du Contour crafting : Le Pr Behrokh Khoshnevis, avec l'université de Californie du Sud et des financements de la Nasa et l'Institut Cal-Earth teste en 2014 une « imprimante 3D géante » avec comme projet de construire une maison en 24 heures.
Imprimante 3D béton
L'imprimante est ici un robot qui projette du béton selon un plan stocké dans l'ordinateur qui le commande.
De tels robots pourraient construire, pour tout ou partie avec des matériaux prélevés sur place, des édifices civils et militaires, des pistes d’atterrissage, des routes, des hangars ou encore des murs anti-radiation ainsi que des structures éventuellement habitables sur la Lune, Mars ou d'autres environnements extraterrestres. Des tests sont faits dans un laboratoire de la NASA (D-RATS, situé dans le désert).
Ce procédé est ou a été testé à petite échelle (projet « maison du futur / Urban initiative policy » (2004)) et il est envisagé par des industriels depuis plusieurs années.
Des robots capables d'imprimer des structures tridimensionnelles peuvent déjà construire un pont autoportant (de taille modeste) sans avoir besoin d’échafaudage et en « imprimant » eux-mêmes leurs propres structures de soutien qui peuvent devenir des pièces de l'architecture au fur et à mesure que son plan se matérialise.
Un premier projet a porté sur l'utilisation de sable comme matériau de baseet mi-2015, une start-up néerlandaise a ainsi annoncé vouloir tester (mi-2017) la construction d'un pont piéton de 7 mètres au-dessus d'un canal d'Amsterdam, en s'appuyant sur la méthode dite « impression hors de la boîte ». Dans ce cas les robots construiront le pont en projetant des petites quantités d'acier fondu, via des bras mobiles selon 6 axes, avec un gaz de soudage spécialement développé (par Air liquide).
En 2014, en Chine, 10 petites maisons ont été préfabriquées au moyen d'une imprimante géante à Shanghai en 24 heures par WinSun ; La même entreprise a réussi, en 2015, à imprimer en 3D un immeuble de 5 étages à Suzhou, en Chine.
En France un premier bâtiment (pavillon) a été imprimé en septembre 2016 sur le campus Dassault Systèmes de Vélizy (78), puis un poteau de 4 mètres de haut (cour d'école d'Aix-en-Provence) avant que Bouygues Construction teste à Nantes un bâtiment de 95 m2 pour du logement social, en lien avec l'Université de Nantes, le CNRS, l'École Centrale de Nantes, l'Inria et l'IMT Atlantique (un coffrage de polyuréthane isolant est imprimé et reçoit ensuite du béton) pendant que « Maisons France Confort » testait également une technique d'impression de béton fibré avec une start-up (XtreeE), sur trois poteaux porteurs et une paroi interne.
À partir des années 2010, l'impression 3D se développe grâce à la maîtrise de nouveaux matériaux et sort du champ exclusif du prototypage.
L'industrie dentaire et la bijouterie de luxe utilisent cependant déjà l'impression 3D avec succès pour la réalisation de pièces finales, tout comme les industries aérospatiale, automobile et cinématographique. Certains utilisateurs d'imprimantes 3D personnelles ou de services d'impression 3D en ligne utilisent aussi déjà quotidiennement des objets imprimés en 3D.
Débuté en janvier 2013, le projet Amaze de l'Agence spatiale européenne vise à permettre l'impression en 3D, de manière industrielle, de pièces exploitables dans l'aérospatial ainsi que d'autres domaines à fortes contraintes.
Par ailleurs, à Amsterdam, un pont imprimé en 3D est mis en service en 2021, pour relier deux berges d'un canal large de 6,5 mètres
Caractéristiques
En 2012, le marché mondial de l'impression 3D a atteint 2,2 milliards de dollars avec une croissance annuelle de 30 %.
En 2013, les techniques d'impression 3D permettent d'imprimer aisément des matériaux avec les caractéristiques suivantes :
- conducteurs électriques et isolants, résistants électriques ;
- transparents, translucides ou opaques ;
- rigides ou souples, élastiques ou cassants ;
- pâteux, durs, abrasifs ;
- colorés (toutes les couleurs, y compris phosphorescents, réactifs aux UV…) ;
- magnétiquement inertes ;
- magnétiquement temporaires, médiocrement, en introduisant de la limaille de fer dans une cavité, ou un métal par exemple. (Une aimantation ultérieure permet de gérer les aimantations définitives).
En 2013, on ne sait pas gérer facilement des matériaux correspondant aux caractéristiques suivantes :
- semi-conducteurs neutres, négatifs et positifs ;
- précontraints ;
- gaz.
Les textiles sont généralement assemblés séparément et fixés aux objets finaux.
Cela rend impossible les transistors, l'électronique, l'informatique, les panneaux photovoltaïques, les interrupteurs à lames souples.
Il est plus facile de construire les pièces détachées séparément et de les assembler ensuite, mais il est souvent possible d'imprimer les objets déjà terminés, avec l'assemblage déjà effectué.
À noter que Microsoft a déposé en septembre 2013 un brevet rendu public qui aurait pour objectif de repousser les limites décrites ci-dessus : en effet, l'entreprise envisage des imprimantes 3D capables d'élaborer des objets électroniques en fournissant comme « consommables » des cartouches de composants électroniques (puces,, LED, processeurs, etc.).
Applications
Armes et armée
Le commandement des opérations spéciales de l'armée américaine construit « huit usines mobiles » qui peuvent rentrer dans des conteneurs de transport standard.
Ces usines sont basées sur une expérience réussie, le MPH.
Ce type de « micro-usines » est l'aboutissement de l'idée d'usine, avec des techniques d'impressions tridimensionnelles.
D'après l'armée américaine, l'impression tridimensionnelle réduit de 97 % les coûts de production et de 83 % le temps de production.
Un étudiant texan, Cody Wilson, a réussi à fabriquer une arme à feu à l'aide d'une imprimante 3D. L'arme ne comportait qu'une partie métallique : un clou servant de percuteur. Une fois la démonstration faite du fonctionnement de l'arme, le créateur à feu, a ensuite partagé les plans de fabrication sur Internet. À l'origine, le créateur de cette arme à feu souhaitait pouvoir tirer au moins vingt balles avec l'arme ainsi créée. Il n'a pu en tirer que six avant que l'arme ne se désagrège complètement.
Stark1809, un libertarien a développé le FGC-9, littéralement le F*ck Gun Control 9 mm. Le FGC-9 est une arme semi-automatique tirant des cartouches de 9 mm, basée sur le Shuty AP-9. Elle est construite via une imprimante 3D et des pièces métalliques présentes dans le commerce.
Lors de la guerre russo-ukrainienne, des drones civils sont modifiés grâce à de l’impression 3D pour transporter de l'armement. Les drones modifiés utilisés ne peuvent que transporter de petites charges comme des grenades à fragmentation soviétique VOG-17. Pour améliorer la précision du système d'armes, des petits ailerons imprimés en 3D permettent la stabilisation dans les airs de ces grenades.
Selon Nicolas Florquin, chercheur dans le département Small Arms Survey (« Étude des armes légères ») de l'institut de hautes études internationales et du développement à Genève, dans les années 2020, l'impression 3D artisanale d'armes à feu par les criminels est devenue une menace émergente pour la sécurité publique. Non seulement cette technique permet de se passer des marchés d'armes légaux et des trafics illégaux en délocalisant la production de l'usine au particulier, mais ces armes sont aussi difficilement détectables, contrôlables et traçables à cause de l'absence de numéro de série. Une quarantaine d'armes à feu imprimées ont été recensées en Europe jusqu'en 2023. Leur utilisation à des fins criminelles reste marginale mais risque de s'amplifier à l'avenir à mesure que leur fiabilité et leur disponibilité se développent.
Aéronautique et aérospatial
EADS, la maison mère d'Airbus a des projets visant à produire toutes les parties des avions par des techniques d'impression tridimensionnelle (ALM-enabled: additive layer manufacturing).
Airbus produit déjà certaines parties de ces avions grâce au procédé d'impression 3D, notamment pour l'A350 XWB. Ce qui est précieux pour l'aéronautique, ce sont les pièces 30 à 55 % plus légères, en comparaison des productions traditionnelles et à la main. L'A350 adopte déjà plus de 1 000 pièces fabriquées de cette manière.
SpaceX a réussi en 2014 à remplacer certains composants (métalliques) de leurs fusées avec des pièces imprimées en 3D.
En mars 2024, une imprimante 3D acier inox a été installée à bord du laboratoire européen Columbus de la Station spatiale internationale (ISS). Conçue à Toulouse par Airbus et le CNES, l'imprimante pèse 180 kg et à la taille d'une machine à laver. Les défis techniques ont été principalement la miniaturisation et le fonctionnement en apesanteur. L'imprimante fonctionne grâce à un laser qui chauffe un fil métallique à environ 1 400 °C en l'absence d'oxygène. L'imprimante permet aux astronautes de fabriquer eux-mêmes leurs outils et leurs petites pièces. Cette imprimante complète les imprimantes 3D polymères déjà utilisées dans l’ISS.
Médecine et recherche
Article détaillé : Bioimpression.
Oreille interne d’un fossile de babouin (2,8 millions d’année) initialement de 2 cm agrandie à 22 cm.
Le domaine de la médecine profite aussi de l'impression 3D, avec la création d'un matériau semblable à un os ou encore la création de prothèses et implants (hanches artificielles, bras, appareils dentaires et auditifs personnalisés et exosquelettes personnalisés.
Récemment les chercheurs de l'AECS (université de Wollongong) ont conçu un crayon, le BioPen, capable d'imprimer des cellules souches (nerveuses, musculaires, osseuses) sur des zones lésées.
Il est possible d'imprimer des prothèses adaptées à la morphologie de la personne. Un bras cassé oblige aujourd'hui à poser un plâtre présentant des problèmes d'hygiène.
L’impression 3D permet d'imprimer des prothèses parfaitement adaptées aux besoins de la personne.
Cette technologie qui présente l'avantage de pouvoir imprimer la prothèse en quelques heures, est parfaitement adaptée aux besoins du patient (isolation à l’eau, meilleure ventilation, meilleure esthétique, etc.), le tout pour un coût de fabrication relativement faible.
Avant une opération, un chirurgien peut imprimer en 3D une réplique de l’organe à opérer afin de savoir exactement à quoi s’attendre, ce qui lui permettra de gagner en temps et en efficacité.
L'impression tridimensionnelle permet de matérialiser des espaces creux ou des organes mous.
Autorisé en 2015 par la FDA, le premier médicament imprimé en 3D est commercialisé aux États-Unis en avril 2016par Aprecia qui a l'exclusivité pour l'industrie pharmaceutique d'une technique brevetée par le MIT. La substance activeest le lévétiracétam. La pilule, plus poreuse grâce à l'impression 3D, se dissout plus rapidement, facilitant son ingestion par les personnes atteintes de dysphagie ou de troubles de la déglutition.
Un robot humanoïde, InMoov, et une main bionique à bas prix, Bionicohand, ont été créés à partir de l’impression 3D.
Des tissus humains peuvent également être créés grâce à l'impression 3D par laser : c'est le défi entrepris par l'entreprise bordelaise Poietis.
L'entreprise travaille avec de grands groupes cosmétiques et des laboratoires pharmaceutiques pour des applications industrielles. Elle se tourne vers la médecine génératrice. En 2022, elle engage les essais cliniques d'une peau bioimprimée à partir de cellules du derme et de l'épiderme du patient.
Particuliers et fab-lab
Des entreprises d'impression tridimensionnelle à la demande sont créées en se basant sur le concept de service web : envoi des plans par le particulier vers un site internet, paiement, impression, montage éventuel et expédition du produit fini.
Dans le même temps des Fab labs démocratisent la technologie 3D. En 2013, le ministère français du redressement productif soutient par un appel à projets 14 fab-labs (ou laboratoires de fabrication additive), utilisant des machines d'impression 3D.
À la même période, les imprimantes 3D d’entrée de gamme passent sous la barre des 1 000 euros et certains médias les présentent comme les prochains objets high-tech indispensables, après les smartphones et les tablettes.
Mais l’engouement que suscite la technologie d'impression auprès du grand public n’opère pas : le manque de répétabilité, l'excès de pièces ratées et la lenteur de fabrication font que le particulier se lasse vite.
En 2016, les usagers des Fab-Lab sont à 80 % des professionnels.
Le PDG de Top Office constate « De notre point de vue, l’impression 3D pour le grand public reste un épiphénomène, tandis que dans le monde professionnel les usages se multiplient; 95 % des clients sont professionnels ».
Certains prétendent même qu'une imprimante 3D à domicile ne sert à rien.
Musique
L’impression 3D a trouvé un rôle dans le développement de la facture instrumentale.
Elle permet la production et la personnalisation de nouveaux instruments ou d'enceintes acoustiques.
Ainsi, l’entreprise Odd fabrique des guitares imprimées en nylon.
L'entreprise 3DVarius crée des violons électriques en résine par procédé stéréolithographie.
L’entreprise SYOS (Shape Your Own Sound) fabrique des becs de saxophone sur mesure adaptés à la morphologie du musicien et à son style.
L’impression 3D permet également une nouvelle matérialisation de la musique en trois dimensions : l’entreprise Reifyimprime des totems correspondant au morceau de musique écouté.
Architecture, bâtiments, structures
Article détaillé : Impression 3D dans la construction.
Première maison d'Europe imprimée par construction additive, à Yaroslavl en Russie.
La technologie d'impression 3D permet de construire des bâtiments de façon très précise, prenant en compte de très petits détails et le tout en un temps réduit.
De nombreux cabinets d’architecture ont découvert le potentiel de la technologie d’impression 3D notamment dans la construction de modèles.
En 2013, la société WinSun a bâti dix maisons et une villa par impression 3D
En mars 2017, une startup américaine a imprimé une maison entière en 24 heures seulement. L’entreprise russe Apis Cor a édifié par impression 3D une petite maison dans le village russe de Stupino. La startup revendique une économie de 25 % à 40 % par rapport aux coûts engendrés par la construction classique d’une maison.
En 2020, en France, la société XTreeE a mis au point une tête d’impression coutant un million d’euros.
Elle est utilisée à Dubaï et en France pour la construction de maisons à loyer modéré. L'impression 3D permet de réduire la quantité de béton utilisée.
D'autres types de structures telles que des éléments de récifs artificiels sont expérimentées avec du béton ou de l'argile
Alimentation
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Chocolate 3D printer
Dans le domaine de l'alimentaire il est également possible d'imprimer en 3D.
Par exemple, à Londres, le restaurant Food Ink imprime ses plats en 3D. Le restaurant possède plusieurs imprimantes 3D conçues pour une utilisation alimentaire. Elles sont composées de plusieurs têtes d'une très grande précision et peuvent reproduire des dessins complexes. Cette technologie permet de reproduire des formes et dessins qu'un cuisinier ne pourrait dessiner.
La startup Natural Machines a créé une imprimante 3D alimentaire, la Foodini, proposée aux restaurateurs et aux traiteurs, mais également, dans le secteur de la santé, pour les hôpitaux.
Bijouterie
En 2017, le Comité Francéclat (Comité professionnel du secteur bijouterie-joaillerie) à lancé le concours « Les bijoux s’impriment en or » pour montrer la possibilité de réaliser une impression 3D de bijoux à partir de poudre d'or. Le procédé utilisé est par fusion de poudre métallique (Power Bed Fusion en anglais) et nécessite un polissage manuel.