L’impression 3D, ou fabrication additive, est une technologie qui permet de fabriquer des objets en trois dimensions à partir d’un fichier informatique, généré – par exemple – à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D.

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Dans un procédé de fabrication additive, l’objet désiré est formé en ajoutant des couches successives de matière, afin de remplir tous les « pixels » qui le forment, en suivant les coordonnées fournies par le fichier 3D.  Chaque couche de matière peut être considérée comme une tranche horizontale très fine de l’objet à fabriquer. On pourrait donc imaginer qu’une imprimante 3D n’est autre qu’une imprimante traditionnelle, à la seule différence qu’elle est capable d’imprimer en trois dimensions, et en utilisant d’autres matières que l’encre et le papier, notamment le plastique, les céramiques, et le métal.

Comment fonctionne une imprimante 3D ?

Tout d’abord, il faut commencer par créer un modèle virtuel de l’objet à fabriquer, cela peut être fait grâce à un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO), si on désire concevoir un objet nouveau, ou bien en utilisant un scanner 3D qui va se charger de créer un modèle 3D d’un objet déjà existant, et qu’on souhaite répliquer.

Une fois le modèle 3D crée, il devra être converti aux formats. STL ou .OBJ pour qu’il puisse être reconnu par le logiciel d’impression.  Le modèle 3D est ensuite découpé en centaines voire milliers de couches horizontales. C’est ce fichier « découpé » qui sera fourni à l’imprimante, et qui lui donnera les instructions et le chemin à suivre durant toute l’opération. Aussi, il faut noter qu’avant d’imprimer un fichier STL, il convient d’abord de vérifier qu’il ne contient pas d’erreurs : des trous dans le modèle, ou des surfaces non reliées par exemple.  Ces erreurs sont particulièrement rencontrées dans les modèles obtenus avec un scanner 3D. Des logiciels comme Netfabb ou  Meshmixer permettent de détecter et de corriger ces erreurs.

Bien que le principe de fabrication additive reste valable pour la totalité des imprimantes 3D disponibles jusqu’à présent, les méthodes et les technologies utilisées varient d’un modèle à l’autre.  Les plus courantes étant l’impression par dépôt de matière, la stéréolithographie, le frittage sélectif par laser, le PolyJet, et le procédé DLP.

1. Le dépôt de matière : également appelé FDM (pour Fused Deposition Modeling), cette technique est utilisée par la quasi-totalité des imprimantes 3D à usage personnel. Elle consiste à utiliser un matériau sous forme de filament en bobine, le plus souvent du plastique ou du métal, et à l’entrainer dans un extrudeur qui va se charger de chauffer et fondre le filament petit-à-petit. Le matériau se solidifie immédiatement après la sortie de la buse d’extrusion et se dépose sur le support d’impression.  En suivant les coordonnées fournies par le fichier 3D, la buse d’extrusion peut se déplacer horizontalement et verticalement et crée ainsi une couche de l’objet à imprimer.

Une fois, une couche terminée, le support d’impression descend pour passer à la couche suivante et ainsi de suite.

Ce procédé a été mis en place vers la fin des années 80 par Scott Crump, qui a déposé le terme FDM. Il existe d’autres appellations de la même technique : FFF (pour Fused Filament Fabrication, fabrication par filament en fusion), ou MPD (pour Molten Polymer Deposition, dépôt de polymère en fusion).

2. La stéréolithographie (SLA) : cette technique exploite le phénomène de photopolymérisation de certaines substances sous l’action de la lumière, le plus souvent ultra-violette.

Dans ce type d’imprimantes, on retrouve un bac rempli de résine liquide et sensible au laser ultra-violet, à la place du plastique.  Le procédé reste cependant assez similaire : l’objet est formé couche par couche en dirigeant le laser vers la surface du liquide qui sera solidifié ainsi. Une fois une couche terminée, un plateau d’impression mobile permettant de supporter les couches solidifiées descend pour passer à la couche suivante. La surface sera de nouveau remplie de résine liquide pour permettre au laser ultra-violet d’agir et de coller les couches formant l’objet.

Une fois l’impression terminée, le plateau supportant l’objet va se relever et ce dernier devra être rincé avec un solvant spécial pour enlever l’excès de résine, puis mis au four afin de le rendre encore plus solide.

La stéréolithographie permet de fabriquer des objets bien finis et plus lisses que la technique FDM, mais pas assez solides et fonctionnels. C’est pour cela que pendant très longtemps elle ne sera utilisée que pour créer des prototypes ou des moules. Cependant, la solidité des objets fabriqués peut être améliorée en ajoutant des poudres céramiques à la résine photosensible.

Autre inconvénient : la durée de fabrication, le coût élevé, et les limites au niveau des couleurs qu’on peut utiliser. Aussi, la stéréolithographie dégage des gaz toxiques et reste donc incompatible avec un usage à domicile.

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3. Le frittage sélectif par laser (SLS) : cette technique utilise elle aussi un laser, comme la SLA. Le matériau de base ici est sous forme de poudre.

Un rouleau permet de déposer une couche très fine de poudre sur le plateau d’impression, un faisceau de laser vient par la suite chauffer et fusionner la poudre pour former une couche solide. Le rouleau viendra déposer une autre couche de poudre et ainsi de suite jusqu’à ce que l’objet soit terminé.

L’objet récupéré est brossé pour le débarrasser des restes de poudre, et devra éventuellement être fini à la main.

Cette technique offre le choix de plusieurs types de poudre, notamment le plastique, la céramique, le verre ou même le métal. Pour ce dernier, on parlera de DMLS (pour Direct Metal Laser Sintering).

Aussi, l’excès de poudre peut être recyclé pour faire d’autres objets.

4. Le procédé PolyJet : tout comme la SLA, ce procédé repose également sur la photopolymérisation. Dans cette technique des microgouttelettes du matériau sont projetées sur le support d’impression (un gel dans ce cas).  La lumière ultraviolette vient par la suite les solidifier. Comme les techniques précédentes, l’objet est formé couche par couche.

Cette technique offre l’avantage de pouvoir fabriquer des objets complexes, multi-matériaux et en plusieurs couleurs. La qualité de finition est également supérieure.

5. Le procédé DLP : la technique DLP (pour Digital Light Processing) est basée sur le même principe que la SLA, à savoir la photopolymérisation d’une résine liquide sensible à la lumière. Un système de miroirs orientables permet de réfléchir la lumière ultraviolette sur le liquide et de tracer ainsi la forme de la couche demandée.  Comme dans les techniques précédentes, l’objet est formé couche par couche.

Tout comme la SLA, le procédé DLP permet de produire des objets d’une grande précision, mais possède l’avantage d’être plus rapide et plus économique.