Principes Générau

La fabrication additive (FA) communément appelée « impression 3D » est un concept qui regroupe plusieurs technologies permettant de fabriquer une pièce ou un système en 3 dimensions par ajout de matière. Contrairement aux méthodes soustractives plus usuelles (comme l’usinage), la fabrication additive permet de créer une pièce, tirée d’un fichier numérique, en déposant de la matière couche après couche.

Ces technologies permettent de s’affranchir des règles de construction classique, laissant ainsi la possibilité de réaliser des pièces aux géométries complexes, creuses, impossible à obtenir par usinage, ou des pièces assemblées et entièrement personnalisables. En effet, la fabrication additive permet d’obtenir des pièces uniques et en petites séries avec un faible investissement (temps, matière, machine, main d’œuvre). C’est donc naturellement, que ces procédés se développent dans de nombreux domaines, telles que les applications industrielles à haute valeur ajoutée (automobile, aérospatiale, …), médicales (dentaire, prothèse, …), artistiques (joaillerie, décoration, …), mais aussi auprès du grand public (28).

Historiquement, la fabrication additive est un concept relativement nouveau par rapport aux méthodes soustractives, mais ce concept n’est pas aussi récent que le laisse penser « l’effet de mode » observé depuis le début des années 2000. En effet, les débuts de la fabrication additive datent des années 80, lorsqu’un américain, Chuck Hull, entreprend des recherches sur la technique de stéréolithographie (29). En 1984, le brevet du procédé de stéréolithographie est déposé, et l’entreprise 3D Systems est créée en 1986 (30)(31). D’un autre côté, le procédé appelé « Fused Deposition Modeling » (FDM) est breveté en 1989 par Scott et Lisa Crump (32) qui fondent la société Stratasys. Aujourd’hui encore, ces deux entreprises se positionnent comme leaders mondiaux dans le domaine. Petit à petit, la fabrication additive se démocratise aussi bien auprès du grand public, avec des machines à prix réduits, qu’auprès des industriels avec des équipements performants et offrant de nouvelles perspectives de fabrication.

v Principe de fonctionnement :

Quel que soit le type de procédé et de technologie de fabrication additive utilisée, cinq étapes clés, présentées par la Figure I-11, doivent être suivies pour obtenir la pièce souhaitée (33) :

- La première étape est la modélisation 3D de l’objet. Pour créer une pièce ou un système virtuel en 3D, la conception assistée par ordinateur (CAO) ou la numérisation de pièce via un scanner 3D est utilisée.

-40- - La seconde étape est la conversion du fichier CAO en un fichier identifiable par les imprimantes 3D. Le format le plus courant est : .STL (Stereolithography Tessellation Language). Il existe également d’autres formats tels que : .IGES (Initial Graphics Exchange Standard), .STEP (STandard for the Exchange of Product), etc.

- La troisième étape, appelée « tranchage » (slicing) permet de découper « numériquement » la pièce en plusieurs couches paramétrées et d’épaisseurs égales. Elles représentent virtuellement les couches de matière déposées par l’imprimante lors de la fabrication.

- La quatrième étape concerne la fabrication de la pièce. La pièce est construite couche par couche sur le plateau support de l’imprimante 3D. Le temps de fabrication varie suivant le procédé utilisé, la taille des pièces imprimées, la résolution et la complexité demandée (variations de quelques heures).

- La dernière étape regroupe les étapes de post-traitements après fabrication. En effet, le nettoyage des pièces obtenues par fabrication additive permet d’éliminer les imperfections liées aux procédés (résidu de matière, matériaux support, …). Il peut être simple, avec un nettoyage manuel de la structure (enlèvement des résidus de poudre, …) ; ou plus complexe, avec des nettoyages chimiques suivis de recuit et/ou polissage. Ces post- traitements sont à adapter en fonction du type de pièce, de son utilisation (rugosité de surface, surfaces fonctionnelles, …) mais aussi en fonction du procédé d’impression utilisé.

L’ensemble de ces étapes constitue le procédé complet de fabrication additive permettant d’obtenir une pièce fonctionnelle.

-41- La fabrication additive permet de réaliser des pièces aux géométries internes et externes complexes. Il est donc important de soutenir la matière aux endroits nécessaires afin d’éviter son effondrement. En effet, cela entrainerait des difficultés de réalisation, voire l’impossibilité de construire la pièce. Pour cela, un matériau support est intégré dans le processus de construction puis retiré lors des étapes de post-traitement. Il permet également d’assurer l’adhésion entre la pièce fabriquée et la plateforme support de la machine.

La conception de la pièce doit tenir compte des contraintes liées à l’ajout d’un matériau de support, suivant les caractéristiques attendues. En effet, si l’utilisateur veut créer une pièce avec une cavité, celui-ci doit concevoir une géométrie ne nécessitant pas de matériau support, ou intégrer une solution permettant d’évacuer le matériau support en post-traitement. Le support est défini lors de l’étape de tranchage (étape 3) du processus d’impression 3D et il est très souvent généré de façon automatique par le logiciel de l’imprimante afin de soutenir la structure à imprimer.

Suivant les machines d’impression, l’utilisateur peut avoir la main sur plusieurs des paramètres d’impression, dont notamment le matériau support, la mise en pause lors d’une fabrication, les trajectoires des buses ou des lasers, etc. Cela permet d’optimiser au mieux les caractéristiques de la pièce demandée.

En conclusion, si la fabrication additive offre de nouvelles possibilités pour produire des pièces aux géométries et caractéristiques nouvelles et à façon, il ne faut pas oublier qu’elle a, comme tous les moyens de production, des avantages et limitations liées au procédé et à la matière utilisée, qu’il ne faut pas négliger.