Synthèse scientifique. FIFC Avril 2015

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FIFC Avril 2015

Synthèse scientifique

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TALLA-TALLA GALLICE BOULEHROUZ NABIL LEBURGUE BENJAMIN BOULET ANTHONY

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Introduction

L’impression tridimensionnelle est une nouvelle (r)évolution qui nous laisse penser à un futur rempli d'imprimantes 3D pour répondre à des besoins tant professionnels que privés. L’idée est belle mais suscite quand même quelques inquiétudes. En effet, imprimer tout ce que l’on désire et quand on le souhaite. Cela ne pose-t-il pas un problème de propriété intellectuelle ?

Nous avons des aprioris sur le sujet :

•

L’impression 3D se limite aux objets de formes basiques.

•

Peu de matériaux peuvent être utilisés pour imprimer.

•

Le nombre de procédés de transformation est très restreint.

•

L’impression de nourriture (vu à la télé) est-elle vraiment réelle.

•

Le prix élevé des imprimantes est-il un frein à la démocratisation du procédé.

Au travers de ce document, nous allons les vérifier…

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Table des matières

1. PREAMBULE : ... 4

1.1. DEFINITION DE L’IMPRIMERIE : ... 4

1.2. HISTOIRE DE L’IMPRIMERIE : ... 4

La xylographie : ... 4

L'ancêtre des incunables : ... 5

L'ancêtre de la typographie : ... 5

L'imagerie populaire : ... 5

La typographie : ... 5

la métallographie : ... 6

Héliogravure : ... 6

Flexographie :... 6

Sérigraphie : ... 6

Tampographie : ... 7

Stencil ou cyclostyle : ... 7

Procédés numériques sans forme imprimante : ... 7

... 7

1.2.12.1. Jet d'encre : ... 8

1.2.12.2. Électrophotographie ou xérographie : ... 8

1.2.12.3. Impression thermique : ... 8

1.2.12.4. Impression 3D : ... 8

2. IMPRESSION 3D : ... 9

2.1. GENERALITES : ... 9

2.2. HISTORIQUE : ... 9

2.3. FONCTIONNEMENT DE L’IMPRIMANTE 3D :... 12

L’impression par dépôt de matière Le FDM ou FFF (Fused Deposition Modeling ou Fused Filament Fabrication) : ... 12

La solidification par lumière : ... 13

2.3.2.1. La stéréolithographie (SLA): ... 13

2.3.2.2. La Poly-jet ... 14

2.3.2.3. Le frittage laser (SLS): ... 15

2.3.2.4. Direct Metal Laser Sintering (DMLS) : ... 16

L’agglomération de poudre par collage : ... 17

2.3.3.1. Three-Dimensional Printing (3DP) : ... 17

2.4. MATIERES POUR L’IMPRIMRESSION EN 3D? ... 19

2.4.1.1. Les plastiques : ... 19

2.4.1.2. Les plastiques dans l’impression 3D: ... 23

2.4.1.3. Les Métaux : ... 25

2.4.1.4. matériaux organiques et céramiques : ... 28

2.5. ETUDE MATIERE ABS(LA PLUS UTILISEE) :... 31

Propriétés de l’ABS : ... 31

L’essai de traction : ... 32

2.5.2.1. Principe : ... 32

2.5.2.2. Essaie réalisés au lycée Beaupré : ... 33

Essai de choc : ... 35

2.5.3.1. Méthodes pendulaires :... 35

3. LES MARCHES DE L’IMPRIMANTE 3D : ... 39

3.1. DANS LE BATIMENT : ... 40

Technologie Américaine Contour Crafting : ... 40

Imprimante 3D du bâtiment selon la société WinSun : ... 41

3.2. LA SANTE:[MED01]... 43

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Quelques rudiments sur l’impression 3D pour la santé : ... 43

L’impression 3D dans le médical : ... 44

Matériels médicaux : [MED-03] ... 44

3.3. L’INDUSTRIE AERONAUTIQUE :[AER-01] ... 45

3.4. LE MARCHE DES PARTICULIERS : ... 46

3.5. LES LIMITES DES TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES: ... 47

Coûts et vitesse de production : ... 47

Qualité des produits : ... 47

Propriété intellectuelle : ... 47

4. CONCLUSION : ... 48

5. ANNEXE : ... 49

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1. Préambule : 1.1. Définition de l’imprimerie :

L'imprimerie est un ensemble de techniques permettant la reproduction d'écrits et d'illustrations sur support matériel en grande quantité, favorisant la distribution de masse.

Généralement, le support est plan et la matière la plus utilisée est le papier.

Dans ce document nous verrons que l’imprimerie tridimensionnelle ou impression 3D et une

« nouvelle » technique d’impression, qui permet d’imprimer des objets en relief avec des matériaux aussi divers qu’étonnants.[HIS-01]

1.2. Histoire de l’imprimerie :

L'histoire de l'imprimerie est étroitement liée au développement de l’humanité et de la culture. Depuis que l'homme a développé des moyens d'expression (représentations artistiques, théâtre…), il a cherché à pérenniser ses œuvres et à les diffuser.

Des scribes dans l'Égypte antique, aux moines copistes médiévaux, l'homme a régulièrement essayé d'automatiser ces moyens de copie.

L’imprimerie permit à ses premiers inventeurs, les chinois, de diffuser le bouddhisme, l'écriture et l'essentiel de leur culture (musique, peinture, calligraphie, architecture, textile, etc.), en Corée, puis au Japon.

La xylographie :

La xylographie a été pratiquée dès le VIIe siècle en Chine, puis en Corée et au Japon.

Les plus anciens xylographes découverts - En Asie :

• en Chine — 650-670 : un exemplaire du dharani sutra découvert en 1974 à Xi'an la capitale de la dynastie Tang au Shaanxi.

• en Corée — 704-751 : le dharani sutra de la lumière pure de 63 x 8 cm, découvert en 1966 au temple de Bulguksa à Kyongju.

• au Japon — 764-770 : une autre version du dharani sutra, imprimé en chinois à 1 million d'exemplaires avec d'autres prières et scellé dans de petits stûpa en bois par l'impératrice Koken Shōtoku.

- En Europe elle semble se développer à partir du XIVe siècle.

Sūtra du Diamant, 868, Dunhuang, province de Gansu, Chine.

Xylographie : procédé de reproduction multiple d'une image sur un support plan, papier ou tissu, en utilisant la technique de la gravure (Fig : HIST-01) sur bois, ou xylogravure, comme empreinte pouvant être reproduite par impression.

Fig : HIST-01

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5 En Europe — 1370-1380 : La plus ancienne xylographie occidentale connue est la matrice dite le « bois Protat », du nom de son premier propriétaire, l'imprimeur mâconnais Jules Protat, qui en fit l'acquisition après sa découverte en 1899 près de l'abbaye de La Ferté (Saône-et-Loire). Il est conservé depuis 2001 au département des Estampes et de la Photographie de la Bibliothèque nationale de France.

L'ancêtre des incunables :

Les bois gravés étaient utilisés pour imprimer des livres bon marché, comme des grammaires destinées aux étudiants, généralement appelées Donat, du nom d’un grammairien latin du IV^e siècle, Aelius Donatus. Le graveur taillait le texte de la page à imprimer dans le bois. Les livres européens où le texte et les images sont gravés dans le même bloc de bois sont appelés

« incunables xylographiques ». (Fig : HIST-02) L'ancêtre de la typographie :

Graver une page entière de caractères sur une plaque de bois ressemble à une gravure. Pour simplifier leur travail, certains graveurs travaillent à la ligne. Le texte n’est plus gravé en un seul bloc mais en plusieurs

blocs d’une ou plusieurs lignes. Cette technique permet également les modifications du texte. Il suffit de retirer le ou les blocs du texte à modifier et les remplacer par des nouveaux.

L'imagerie populaire :

L'imagerie populaire fait son apparition en France dans le dernier quart du XIVe siècle. Le dominotier taille son image dans le fil du bois.

L’image est très suggestive, à peu de texte, de légende ou titre. (Fig : HIST-03) La typographie :

La typographie occupe la scène de la communication du XVIe siècle jusqu'au troisième quart du XXe siècle.

À partir de 1450, Johannes Gensfleisch (Fig : HIST-04), plus connu sous le nom de Gutenberg, met au point le procédé de l'impression. En 1455, il fait usage de caractères mobiles en métal, donnant ainsi naissance à la typographie moderne, qui se distingue des procédés orientaux par la rationalisation et l'harmonisation des diverses techniques. Il introduit la presse à imprimer, inconnue des Orientaux, qui permet une impression uniforme et rapide.

Le premier livre européen imprimé avec des caractères mobiles est la grammaire latine de Donatus en 1451 par Gutenberg. La première édition latine de la Bible est celle dite de la Bible à quarante-deux lignes en 1453 par Gutenberg. Victor Hugo élabore à son sujet une des premières analyses médiatiques de l'histoire avec le chapitre « Ceci tuera cela » dans son roman

« Notre-Dame de Paris ».

Johannes Gutenberg, le père de l'imprimerie

moderne.

Graveur sur bois. XVIe siècle.

Cantate des imprimeurs Fig : HIST-02

Fig : HIST-03

Fig : HIST-04

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6 L'innovation de Gutenberg réduit considérablement le nombre d'heures et d'hommes nécessaires à la production du livre (donc le coût), ce qui permet d'en élargir la diffusion.

la métallographie :

La lithographie évolua vers la métallographie et Aloys Senefelder mit sur pied une machine dotée d'un cylindre gravé à l'eau-forte. En 1879, un brevet est déposé par Trottier et Missier donnant naissance à la chalcographie ; l'utilisation d'un habillage caoutchouc permettant le report de l'image.

Henri Voirin s'appliqua à donner une impulsion vigoureuse à ce procédé. Cette machine permet d'imprimer sur des surfaces flexibles, étoffes, cuirs, peaux. Auguste Marinoni et Jules Michaud firent breveter, le 4 septembre 1884, une presse rotative indirect imprimant plusieurs couleurs sur métal, bois, papiers et autres.

Les Anglo-saxons ont coutume d'attribuer à l'imprimeur américain Ira Washington Rubel, le mérite d'avoir inventé en 1903, le procédé Offset pour l'impression sur papier.

Héliogravure :

C'est un procédé dans lequel la forme imprimante est en creux. Le cylindre d'impression est en cuivre ou en inox et est gravé par un diamant, chimiquement ou au laser.

C'est la profondeur des « alvéoles » qui détermine la tonalité de la couleur et permet de reproduire la gradation de l'image.

Flexographie :

C'est un procédé en relief reprenant le principe de la typographie. La forme imprimante utilisée est le plus souvent un polymère. L'image est obtenue par photo-polymérisation (modification physico- chimique par l'action des UV).

La flexographie permet l'impression sur des supports très variés. On imprime essentiellement les emballages alimentaires.

Sérigraphie :

La sérigraphie (« screen printing » en anglais) tire son nom de la soie avec laquelle étaient fabriqués les « écrans » (sorte de pochoirs) qui sont utilisés avec cette technique. Une partie de cet écran est masquée (par utilisation d'un procédé photographique) et l'encre ne traverse que les parties nues de l'écran qui s'interpose entre le support et l'encre.

Cette technique présente l'avantage de pouvoir s'appliquer à des supports variés et pas nécessairement plats (bouteilles, boîtes, textiles, machines, bois, etc.) et sur de grandes surfaces.

Le développement de l'imprimerie n'a pu se faire qu'à la faveur de deux conditions préalables. La première est le remplacement du volume par le codex pour la fabrication des livres, une transformation majeure qui s'est faite entre le Ier siècle et le IVe siècle. La seconde est le remplacement du parchemin par le papier, beaucoup plus souple et plus économique. Le procédé de fabrication du papier se répand en Europe à partir du monde musulman et est en production dès 1056 à Xàtiva dans la région de Valence, en Espagne.

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Tampographie :

Procédé d'impression basé sur le principe du timbre en caoutchouc, la tampographie est une technique consistant à transférer l'encre contenue dans le creux d'un cliché, obtenu par photogravure chimique, sur un objet au moyen d'un tampon transfert en caoutchouc silicone. Parfaitement adapté à tous types de formes, de graphisme et de pièces, ce procédé garantit un marquage précis et rapide quels que soient les volumes à réaliser.

Utilisation : touches de clavier, boutons dans les voitures, capsules de bière…

Stencil ou cyclostyle :

Il s'agit d'un procédé employant un cliché sur celluloïd composé à la machine à écrire, qui est reproduit à l'aide d'une solution à base d'alcool sur une presse rotative (le cyclostyle) appelée aussi

« machine à alcool ».

Procédés numériques sans forme imprimante :

Les différents types d'impression numériques (Fig HIST-05).

Les procédés d’impression numérique ont trois caractéristiques principales:

Fig : HIST-05

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8 1. L'impression se fait de façon continue de l’ordinateur au tirage, sans interruption du flux

numérique.

2. L’image est imprimée sur le support sans utiliser de forme imprimante.

3. L'image imprimée peut être modifiée à chaque exemplaire imprimé, ce qui permet de remplacer à la volée des passages de textes ou des illustrations. Les informations modifiées sont appelées « données variables ». L'impression de données variables ne diminue pas la vitesse d’impression, et permet d’accroître la valeur ajoutée de l’imprimé.

1.2.12.1. Jet d'encre :

Une surpression est créée dans un réservoir d'encre et entraîne l'éjection d'une goutte d'encre.

Cette surpression peut être créée thermiquement ou mécaniquement (à l'aide d'un cristal piézoélectrique).

1.2.12.2. Électrophotographie ou xérographie :

Le cylindre d'impression est recouvert d'un polymère spécial qui est éclairé au laser ce qui induit un changement dans ses propriétés. Il va alors attirer de fines particules contenues dans un toner liquide ou solide. L'encre va, par la suite, être transférée sur le papier puis chauffée (cuisson) afin d'assurer sa cohésion.

1.2.12.3. Impression thermique :

Un ruban Jimmy contenant de l'encre est chauffé et piqué là où un point de trame est voulu.

On reprend ainsi le principe de la dorure à chaud.

1.2.12.4. Impression 3D :

Dans la suite de ce document nous allons présenter l’impression 3D, son apport aux différents domaines industriels et domestiques ainsi que les innombrables révolutions derrière lesquels elle se cache.

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2. Impression 3D :

2.1. Généralités :

L'impression 3D ou impression tridimensionnelle sont les termes courants utilisés pour parler des procédés de fabrication additive. Ils sont de plus en plus utilisés pour la fabrication de pièces fonctionnelles.

Le principe est donc assez proche de celui d'une imprimante 2D classique. C'est l'empilement de ces couches qui crée un volume.

Les applications vont de l'industrie, à la production de voitures, d'avions, de bâtiments, de biens de consommation, etc., à la visualisation de projets, de vérification d'ergonomie pour l'architecture ou les études de design.

2.2. Historique :

Si le phénomène Impression 3D s’emballe depuis quelques années, le procédé existe pourtant depuis le milieu des années 80. Voici un bref historique de l’impression 3D présentant les grands tournants techniques ou pratiques. Constructeurs de machines, lanceurs de projets, scientifiques ; toute une communauté a participé au développement de l’impression 3D en améliorant les technologies ou en créant des usages innovants. [IMP-01]

- 1983-1986 : La naissance de l’impression 3D

1983 pour certains, 1984 pour d’autres tout le monde s’accorde toutefois à attribuer la paternité de l’impression 3D à Charles Hull. La première machine, officiellement commercialisée en 1986, reposait sur le principe de stéréolytographie. On ne parle pas encore d’impression 3D et la machine est une espèce de prototype testé par de rares entreprises triées sur le volet. Cette première imprimante 3D débouchera sur le premier modèle de série en 1988 : la SLA-2502 de 3D Systems.

L’imprimante sert alors aux industriels à créer des objets pour tester leur design avant de décider la production des pièces en série.

- 1990-1992 : l’impression couche après couche

Ce n’est pas encore parfait, loin de là, mais le potentiel énorme de l’impression 3D se dévoile avec la création couche après couche d’objets 3D. Un rayon UV tape alors dans une espèce de liquide visqueux ressemblant à du miel. Pas super pratique mais plutôt efficace ; l’impression 3D prouve qu’elle est capable de créer des pièces complexes. C’est toujours le procédé de stéréolytographie qui fait ses preuves.

- 1999 : La première prothèse implantée sur un être humain

Une prothèse permettant l’agrandissement de la vessie d’un patient. Outre la contrainte de devoir créer un « objet » adapté à la physionomie du malade, il convient de trouver un système réduisant les risques de rejets. La pièce est donc enrobée de cellules du patient. Cette étape constitue une avancée majeure en ouvrant de nouvelles perspectives à la médecine.

- 2002 : Un premier rein fonctionnel

C’est encore la même équipe de scientifique qui est à la base de cette prouesse bio-médicale.

Cette fois les universitaires du laboratoire Wake Forest Institute for Regenerative Medicine recréent un rein fonctionnel. Capable de filtrer le sang et de diluer l’urine, il est greffé sur des animaux et ouvre la voie à la création d’organes et de tissus à des buts médicaux.

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10 - 2005 : Lancement du RepRap Project

Le Dr Adrian Boyier et son équipe de l’Université de Bath imaginent une prouesse technologique en lançant la construction d’une imprimante 3D capable de créer les pièces utiles à son fonctionnement, afin de rendre le plus accessible possible l’impression 3D.

- 2008 : Le RepRap Project abouti / Shapeways.com ouvre

Leur première imprimante auto-répliquante sort. Darwin permet à un possesseur de créer d’autres machines pour son réseau proche. C’est aussi cette année-là que sort la version Beta de la boutique de plans en ligne Shapeways.com. Designers, architectes et ingénieurs peuvent créer des plans de manière conjointe et faire imprimer des objets complexes à

prix abordable.

- 2009 : MakerBot Industries à l’assaut du grand public

Cette année-là, tout le monde peut posséder chez soi une imprimante 3D fonctionnelle à prix abordable grâce au Kit DIY (Do It Yourself).

- 2010 : Un vaisseau sanguin imprimé avec une imprimante spéciale

En décembre 2010, une équipe de chercheur parvient à créer, avec une bio-imprimante 3D Organovo, un vaisseau sanguin fonctionnel.

- 2011 : Un premier drone « Sulsa »

Les ingénieurs de l’Université de Southampton parviennent à créer un avion sans pilote pour le prix de 5000 Livres Sterling. Il mesure prêt de 2m d’envergure et est propulsée par un moteur électrique lui permettant d’atteindre la vitesse de 160km/h.

- 2011 : Après l’avion : la voiture

La société Kor Ecologic présente Urbee, une voiture « eco-friendly », dont la carrosserie est complètement composée de pièces imprimées à l’aide d’une imprimante 3D. Elle est dessinée à consommer le moins de carburant possible, 1,18 litres aux cent kilomètre sur autoroute.

- 2011 : L’or et l’argent en impression Grand Public

i.materialise.com propose l’impression d’objets en or ou en argent. Plus besoin de moules pour tirer des pièces en série, le bijou est unique et à prix réduit.

- 2012 : Une prothèse de maxillaire inférieur posée sur une octogénaire.

Une prothèse de maxillaire, parfaitement ajustée à son hôte étudié pour la reconstruction des tissus osseux, est posée sur une femme de 83 ans qui souffrait d’une infection à la mâchoire.

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11 - 2013 : Une arme à feu fonctionnelle

La diffusion d’une vidéo, puis les plans d’une arme à feu ont circulé sur la toile. Le tout fait polémique et remonte jusqu’au gouvernement américain qui interdit leurs diffusions après 100 000 téléchargements.

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2.3. Fonctionnement de l’imprimante 3D :

L’impression 3D fonctionne donc selon plusieurs procédés, les techniques d’impression étant fonction du modèle d’imprimante utilisé. On peut classer ces procédés en trois grands familles :

• Le dépôt de matière

• La solidification par la lumière

• L’agglomération par collage

Le point commun entre ces trois techniques c’est qu’elles fonctionnent toutes selon le

« couche par couche ». Seule la façon dont sont appliquées et traitées ses couches est différente ainsi que le matériau utilisé.

Pour la plupart des procédés employés l’utilisateur a besoin : - D’une imprimante 3D

- De consommable (filament, poudre…) - D’un fichier 3D (au format STL ou OBJ)

- D’un logiciel de slicing pour trancher le fichier et transmettre les indications à l’imprimante - D’un ordinateur pour effectuer ces opérations

La manière d’exporter les fichiers vers l’imprimante diffère selon les marques et les modèles : câble USB, Wi-Fi ou carte SD. [IMP-02]

L’impression par dépôt de matière Le FDM ou FFF (Fused Deposition Modeling ou Fused Filament Fabrication) :

La majorité des imprimantes 3D personnelles fonctionnent selon ce principe. Cette technique consiste en fait à déposer couche par couche un filament de matière thermoplastique fondu à 200°C (en moyenne) qui en se superposant donne forme à l’objet [Fig : FFD-01]. La tête d’impression se

Principe de fonctionnement d’une imprimante 3D Fused Filament Fabrication

Fig : FFD-01

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13 déplace selon les coordonnées X, Y et Z transmise par un fichier 3D correspondant au modèle 3D de l’objet à imprimer. Limitée pendant longtemps à des matériaux de type plastique tels que les classiques PLA et l’ABS, l’impression 3D voit arriver de nouveaux filaments composites à base de métal (cuivre, bronze…) et même de bois. A l’heure actuelle l’industrie agroalimentaire et la médecine sont en train de s’emparer de cette technique pour imprimer des aliments et des cellules en adaptant la tête d’extrusion.

La solidification par lumière : 2.3.2.1. La stéréolithographie (SLA):

La stéréolithographie est la première technique d’impression 3D à avoir été mise en évidence.

Cette technique consiste à solidifier un liquide photosensible par le biais d’un rayon laser ultraviolet.

Les imprimantes fonctionnant par SLA ont quatre parties principales: un réservoir qui peut être rempli avec un liquide photopolymère, une plate-forme perforée qui est descendue dans le réservoir, un rayonnement ultraviolet (UV) et d’un ordinateur commandant la plate-forme et le laser. [SLA-01]

Tout comme la FDM, l’imprimante va dans en premier temps analyser le fichier CAO, puis en fonction de la forme de l’objet va lui ajouter des fixations temporaires pour maintenir certaines parties qui pourraient s’affaisser. Puis le laser va commencer par toucher et durcir instantanément la première couche de l’objet à imprimer. Une fois que la couche initiale de l’objet a durci, la plate-forme est abaissée, est ensuite exposée une nouvelle couche de surface de polymère liquide. Le laser trace à nouveau une section transversale de l’objet qui colle instantanément à la pièce durcie du dessous.

Ce processus se répète encore et encore jusqu’à ce que la totalité de l’objet ce soit formé et soit entièrement immergé dans le réservoir. La plateforme va ensuite se relever pour faire apparaitre l’objet fini en trois dimensions. Après qu’il ait été rincé avec un solvant liquide pour le débarrasser de l’excès de résine, l’objet est cuit dans un four à ultraviolet pour durcir la matière plastique supplémentaire.

Les objets fabriqués selon la stéréo-lithographie ont généralement une bonne qualité de finition et de détail (0,0005 mm) on obtient des surfaces bien lisses et régulières. Qualitativement elle fait partie des meilleurs techniques d’impression 3D actuellement. La durée nécessaire pour créer un objet avec cette technique dépend également de la taille de la machine utilisée. La SLA a aussi l’avantage de pouvoir produire de grosses pièces (de plusieurs mètres). Pour ces objets là il faudra plusieurs jours, quelques heures pour les plus petites.

Parmi ces inconvénients, un coût plus élevé que la FDM et un panel de matériaux et des coloris plus limité du fait des polymères utilisés comme matière première. Les solvants et les liquides polymères dégageant par ailleurs des vapeurs toxiques durant l’impression.

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14 2.3.2.2. La Poly-jet

Cette Technologie brevetée par la société israélo-américaine Objet Geometries Ltd, fonctionne aussi sur le principe de photo-polymérisation. De la même manière, l’objet sera modélisé en 3D avec un logiciel spécialisé (AutoCAD par exemple) puis son fichier envoyé à l’imprimante. Les têtes d’impressions vont alors déposer en goutte à goutte de la matière photosensible sur un support de gel, selon les coordonnées transmises par le fichier. Une fois la matière déposée, celle-ci va être exposée à un rayon ultraviolet qui va alors la durcir instantanément. L’opération sera répétée jusqu’à obtention de l’objet final, il ne restera alors plus qu’à le nettoyer. Avec une précision de l’ordre de 0,005mm il est possible de réaliser des objets avec un haut niveau de détail et des pièces d’assemblage pouvant s’imbriquer comme des engrenages. [Fig : POL-01]

Objet Géométries Ltd a par la suite affiné cette technique en mettant au point Polyjet Matrix.

Avec 96 embouts pour chacune de ses têtes d’impression, il est possible pour l’utilisateur de combiner plusieurs matériaux différents, souples ou plus rigides.

Fig : SLA-01

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15 Avantage certain de cette technologie, elle ne nécessite pas de post-traitement, comme le ponçage ou le rinçage.

2.3.2.3. Le frittage laser (SLS):

Cette technique crée par un étudiant américain dans une université du Texas en 1980, a été développée plus tard (2003) par la société allemande EOS. Il s’agit également d’un processus d’impression par laser. Cette fois-ci un faisceau laser très puissant va fusionner une poudre (1mm d’épaisseur) à des points très précis définis par le fichier. Les particules de poudre sous l’effet de la chaleur vont alors fondre et finir par se fusionner entres elles. Une nouvelle couche de poudre fine est ensuite étalée et à nouveau durcie par le laser puis reliée à la première. Cette opération est répétée plusieurs fois jusqu’à ce que la pièce soit finie. Ensuite, la partie est soulevée de la poudre libre et l’objet est brossé puis sablé ou poncé à la main pour les finitions (Fig : FRI-01).

La poudre que l’on utilise le plus souvent pour ce type d’impression est du polyamide. De couleur blanche ce matériau est en fait un nylon. Il va donner à l’objet une surface poreuse qui pourra d’ailleurs être repeinte pour lui donner de la couleur. D’autres composants comme de la poudre de verre, de la céramique ou du plastique sont aussi utilisés. Souvent les fabricants utilisent un mélange de deux sortes de poudres pour obtenir des objets plus aboutis.

Même si sa précision d’impression est inférieure au SLA, le frittage laser permet de fabriquer des pièces avec un niveau de détail assez élevé (0.1mm) et à géométrie complexe. De plus la poudre restante qui n’aura pas été passée au laser pourra être réutilisée la fois suivante. Généralement les pièces obtenues avec ce processus demande davantage de finitions (ponçage, peinture, vernis…) que le SLA du fait de son rendu un peu granuleux.

Fig : POL-01

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16 2.3.2.4. Direct Metal Laser Sintering (DMLS) :

Ce procédé permet de réaliser des objets en métal en fusionnant. Presque tous les métaux peuvent être utilisés, cela va du cobalt au titane en passant par l’acier et des alliages comme l’Inconel.

À l'instar de la SLA, le procédé SLS utilise un laser. En revanche, la différence se situe au niveau du matériau, qui n'est plus liquide, mais sous forme de poudre de fines particules métalliques.

Là aussi, on trouve un bac qui contient le matériau (la poudre), mais c'est un rouleau qui vient déposer une fine couche (0,1 mm) sur la plateforme d'impression. Le laser entre alors en action pour solidifier la première couche, puis l'opération se répète pour chaque couche. Une fois le processus terminé, on retire l'objet puis on le débarrasse des restes de poudre non fusionnée. [Fig : DMLS-01]

L'avantage de cette technologie est qu'il y a très peu de déchet et que la poudre non fusionnée peut être réutilisée par la suite. En revanche, le DMLS demande une poudre aux grains homogènes et un réglage très précis du laser.

Fig : FRI-01

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L’agglomération de poudre par collage :

2.3.3.1. Three-Dimensional Printing (3DP) :

Initialement développé en 1993 au Massachusetts à l’Institut of Technology (MIT) en 1993, 3DP constitue la base du processus d’impression 3D de Z Corporation. Le procédé consiste en l’étalement d’une fine couche de poudre de composite sur une plateforme. La tête d’impression va alors déposer sur celle-ci de fines gouttes de glue colorées qui combinées entre elles permettent d’obtenir un large panel de couleur. La plateforme s’abaisse au fur et à mesure que les couches de poudre sont collées jusqu’à obtenir l’objet final. Pour la finition il faut aspirer l’excédent de poudre, brosser et/ou poncer la pièce, puis la chauffer pour finaliser la solidification. La 3DP a l’avantage d’être rapide et de proposer une large gamme de couleurs. Jusqu’à 6 fois moins chère qu’une imprimante SLA son prix est plus attractif malgré une précision et une qualité d’impression parfois inférieure. Parmi les inconvénients, sans traitement post-impression les pièces sont plus fragiles et leur surface est plus rugueuse.

Fig : DMLS-01

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Solidification par la lumière Dépôt de

matière

Agglomération de poudre par

collage Techniques

d’impression stéreolithographie Poly-jet Frittage

laser DMLS FDM 3DP

Avantages

-Bonne qualité de finition

-Possibilité de produire des grosses pièces

-Pas de

post-traitement -combinaison de plusieurs matériaux

-Précision d’impressio n assez élevé -

réutilisation de la poudre non

fusionnée

-Très peu de déchet

-réutilisation de la poudre non fusionnée

Matériaux diversifiés

-Rapide et large gamme de couleur -coût très faible

Inconvénients

-Un coût très élevé Matériaux et coloris plus limités -Dégagement de vapeur toxique pendant l’impression

Mauvaise qualité de finition

-Poudre de grains homogènes -Et réglage très précis

Précision et qualité d’impressio n faible

-Pièce fragile et -surface rugueuse

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2.4. Matières pour l’imprimression en 3D ?

Certains pourraient croire que le plastique est le seul matériau utilisé dans l’impression 3D. Il existe en fait un choix bien plus large de consommables pour imprimer des objets.Il existe en fait deux grandes familles de matériaux : les plastiques et les métaux. A cela s’ajoute les céramiques (silice, alumine, plâtre…) et les matières organiques (cires, tissus et cellules). [MAT-01]

2.4.1.1. Les plastiques :

La fabrication du plastique [PLA-01]:

Le celluloïd est la première matière plastique artificiellement fabriquée en 1856 par les frères Hyatt aux États-Unis. C'est un mélange de camphre et de nitrate de cellulose. Pour fabriquer le celluloïd, les frères Hyatt (Fig : PLA-01) ont pris des polymères naturels et les ont modifiés pour obtenir une matière artificielle.

Le camphre est une substance blanche utilisé dans le domaine pharmaceutique et issu du camphrier.

La majorité des plastiques modernes sont des produits acquis suite à une succession de réaction chimique sur les hydrocarbures.

• Du pétrole brut au monomère :

Le pétrole est une énergie fossile que l'on peut trouver à de grandes profondeurs à l'état liquide.

Le raffinage regroupe un grand nombre de réactions chimiques et a pour but d’extraire tous les produits du pétrole brut ayant une grande valeur sur le marché mondial.

Le pétrole (naphta) est une source très importante pour l’élaboration du plastique, car lors du raffinage du pétrole on en tire des particules qui agissent dans la polymérisation. Près de 90 % des plastiques sont créés grâce à cette matière première.

Les hydrocarbures sont composés d'atomes d’hydrogène et de carbone. Ces deux éléments dont l’électronégativité est voisine, sont liés par des liaisons covalentes.

Alexander Pakes John Wesley Hyatt

Fig : PLA-01

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20 Lors de la fabrication du plastique on utilise seulement certains hydrocarbures. De même, les hydrocarbures lourds sont séparés des hydrocarbures légers. (Fig : PLA-02)

Les hydrocarbures lourds sont composés de cinq à neuf atomes de carbones sont appelés : les condensats. (Fig : PLA-03)

Les hydrocarbures légers sont constitués de deux à quatre atomes de carbones et sont appelés : les liquides de gaz naturel.

Afin de séparer les hydrocarbures qui constituent le pétrole, on emploie la distillation, le pétrole est préalablement chauffé à 400° C, il se forme alors un gaz qui pénètre dans une colonne en acier. Dans cette colonne, les gaz se refroidissent, les plus riches en atomes de carbone montent plus haut que les autres gaz.

Ce raffinage a pour but de séparer les produits en fonction de leur composition en atomes de carbone.

Voici un schéma représentatif du déroulement de la distillation (Fig : PLA-04) :

Molécule de propane C3H8 (léger) Molécule d'hexane C6H14 (lourd)

Fig : PLA-02 Fig : PLA-03

Fig : PLA-04

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21 Le naphta est l'un des produits de la distillation du pétrole et il est obtenu à 180° dans la colonne.

Ensuite, le naphta subit une succession de transformations pour isoler les monomères qui sont des éléments essentiels pour la fabrication du plastique. Pour cette étape, on utilise une machine appelée vapocraqueur. (Fig : PLA-05)

• Des monomères aux polymères :

Le polymère est une macromolécule, elle peut avoir une origine naturelle ou alors elle peut provenir après une succession de produits synthétiques (monomères).

Deux représentations de deux macromolécules différentes (Fig : PLA-06) : Voici un schéma représentatif du vapocraquage du naphta :

Macromolécule avec des polymères thermoplastiques. Macromolécule avec des thermodurcissables polymères Fig : PLA-05

Fig : PLA-06

A*: Ce sont les monomères qui en se liant les uns aux autres forment des liens plus rigides

(23)

22 La polymérisation consiste à assembler les monomères pour former une longue chaine avec des liaisons covalentes entre les molécules de monomères, cette chaine se nomme polymère.

En revanche, la majorité des polymères industriels sont élaborés à partir d’un unique monomère, c'est le cas du polystyrène.

Il existe deux grands types de réactions de polymérisation : La polycondensation :

La polycondensation se base sur l'élimination d'un condensat. En effet, les monomères s’assemblent entre elles en éliminant un condensat qui peut être de l’eau ou du gaz carbonique.

La polyaddition :

C'est une réaction qui permet la formation de polymère par addition successive de monomère.

La polyaddition est réalisée sur des composés ayant une double liaison carbone tels que les alcènes.

La polyaddition se divise en trois phases distinctes :

Tout d'abord, il y a l'amorçage qui est une phase durant laquelle un activateur se lie à un monomère.

Ensuite, c'est la phase de propagation durant laquelle les monomères s'assemblent entre eux et la chaine s'allonge.

Enfin, durant la phase de terminaison la chaine cesse de croitre et les sites actifs sont désactivés.

• Du polymère au plastique :

Les plastiques représentent une fraction des polymères puisque les polymères peuvent être naturels ou artificiel alors que les plastiques sont artificiels.

Les polymères deviennent des plastiques après le mélange avec des adjuvants ou des additifs.

Afin de les protéger et de les modifier.

Additifs Effets sur les polymères Plastifiant Améliore la souplesse Colorant Colore les polymères Renfort Augmente la résistance

• Conclusion:

Pour conclure, afin d’aboutir à la matière plastique, les éléments la constituant passent par une succession de transformation chimique. Voici les importantes étapes de fabrication :

Transformation chimique Produit

Extraction dans les plateformes pétrolières Hydrocarbure

Première transformation : Distillation Naphta

Deuxième transformation : Vapocraquage Monomères

Troisième transformation: Polymérisation Polymères

Quatrième transformation: Adjuvants/ Additifs Matières plastiques

Adjuvants Effets sur les polymères Anti oxydant Lutte contre l'oxydation Anti Ultra-Violet Lutte contre les U.V Anti chaleur Lutte contre la chaleur

(24)

23 2.4.1.2. Les plastiques dans l’impression 3D:

Parmi les plastiques les plus utilisés pour l’impression 3D, il y a 2 consommables dominants : le PLA et l’ABS.

• PLA (acide polyactique) :

Il est le consommable le plus couramment utilisé pour les imprimantes personnelles qui fonctionnent par dépôt de fil. Ecologique car d’origine végétale (amidon de maïs, racine de manioc et betterave) il est biodégradable, non toxique et sa fusion est quasi inodore. Si le PLA est pur et que l’extrudeur de l’appareil est en acier inoxydable, alors celui-ci peut être utilisé pour imprimer des objets destinés à être en contact avec des aliments tels que des bols ou des tasses par exemple.

Température d’impression entre 190 et 210 °C / Plateau chauffant optionnel

Densité 1,25g/cm3

Points forts Ne dégage pas d’odeur et facile à imprimer.

Points faibles Sensible à l’humidité et à la chaleur.

• ABS (acrylonitrile butadiène styrène)

Fabriqué à base de pétrole il s’agit du matériau le plus polyvalent car compatible avec presque toutes les imprimantes 3D. L’ABS qui est soluble dans l’acétone permet de souder les pièces métalliques avec une goutte ou deux, ou de lisser et créer un effet brillant par brossage ou trempage pièces entières dans l’acétone. Sa force, sa souplesse et sa meilleure résistance à la température font de lui le matériau préféré pour les ingénieurs, et les applications professionnelles (Fig : ABS-01).

• Pour ces deux consommables comptez entre 30€ et 60 € la bobine de 1 kg. Le prix varie en fonction de la couleur, de la marque et s’il s’agit ou non d’un filament propriétaire car certaines imprimantes fonctionnent avec leurs propres matériaux.

• Polypropylène:

Un autre thermoplastique très utilisé, le polypropylène (PP) est connu pour sa résistance à l’abrasion et sa capacité à absorber les chocs, en plus d’une relative rigidité et flexibilité (Fig : PP- 01 à 03).

Un des inconvénients est sa faible résistance aux températures et sa sensibilité au rayonnement UV, raison pour laquelle plusieurs fabricants d’imprimantes ont développé des dérivés de ce matériau, les simili-polypropylènes, afin de renforcer ses propriétés physiques et mécaniques.

Température d’impression entre 220 et 260 °C

Densité 1,01g/cm3

Points forts : Matériau polyvalent et particulièrement résistant,

supporte bien les écarts de température.

Points faibles : Odeurs pendant l’impression et parfois sujet au warping

(décollement des bords de la pièce) Fig : ABS-01

(25)

24

• Le PET (polytéréphtalate d'éthylène) :

Obtenu à partir du pétrole, il est plus solide que l'ABS et s'affranchit du plateau chauffant. Il est utilisé pour les pièces qui demandent à la fois de la robustesse et de la flexibilité. On le trouve notamment dans les bouteilles en plastique. À l'instar du PLA et de l'ABS, on trouve le PET en bobine.

La température nécessaire à son impression est de l'ordre de 220°C. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, il ne dégage aucune odeur.

• Les polyamides (PA) :

Utilisés dans la technique du frittage laser (SLS), ils se présentent sous forme de poudre. Dans le cadre d'une utilisation avec un procédé de dépôt de filament, on retrouve par exemple le nylon sous forme de bobines. Résistant et élastique, il fond à une température de 235 à 260°C et ne nécessite pas forcément de plateau chauffant. La grande majorité des polyamides est compatible avec un contact alimentaire.

• Entre 50 et 100 € le kg

• Plastiques Composites :

Les matériaux composites, appelés Digital Materials, permettent d’obtenir des prototypes assez performants pour se rapprocher des propriétés du matériau réel (résistance à la température, biocompatibilité, rigidité ou souplesse…) et aux couleurs multiples.

• Les résines :

Utilisées dans les procédés SLA et PolyJet, les résines offrent différentes propriétés physiques propres à chaque type de résine. Elles

permettent des impressions très détaillées et solides, sur des formes complexes. Son rendu très lisse demande un post-traitement assez simple (FIG : RES-01)

Les résines peuvent être thermoplastiques ou

thermodurcissables et elles constituent le matériau de base de plusieurs techniques comme la stéréo

Fig : PP-01 Fig : PP-02 Fig : PP-03

Fig : RES-02 Fig : RES-01

(26)

25 lithographie (SLA) et le Poly-Jet, et permettent d’obtenir des objets en finition mat ou brillant, blancs, noirs et même transparents. Ces dernières, ont une géométrie et une fonctionnalité limitées, mais la qualité et la douceur de la surface sont systématiques. Dans tous les cas, il est possible de réaliser un processus de coloration et n’importe quel autre traitement post-impression.

Des résines haute précision sont mises à disposition par i.materialise (FIG :RES-02), lesquelles sont parfaites pour des modèles réduits (100x100x100 mm max.) nécessitant un grand niveau de détail géométrique avec une surface poli, fine et sans effet d’escalier au niveau des couches.

- Le prix de ces résines est très variable : entre 200 € et 600 € le litre. (pour l’imprimante Form1 de Formlabs par exemple comptez environ 110€ pour une recharge de 1L.)

• La cire calcinable :

La cire est composée de polymère et fond comme les autres plastiques. L’avantage de ce matériau est qu’il confère à vos pièces un aspect lisse sans porosité. L’impression à la cire limite les craquelures et permet de reproduire des produits fins à l’image des alvéoles d’un nid d’abeilles. Le rendu est quasi-parfait. La solidité et sa souplesse sont ses points faibles (Fig : CC-01).

• L’alumide :

C’est un mélange de polyamide et d’aluminium. Il offre l’avantage de pouvoir réaliser des pièces à la fois très solides et très flexibles avec une importante résistance à la chaleur. D’un aspect proche du métal, son impression se fait par frittage laser avec des particules d’alumine de 60 µm (micromètres). Les objets imprimés avec ce genre de matières nécessitent ensuite divers finitions telles que le polissage ou le meulage (Fig : 01).

L’alumide est utilisé pour des modèles complexes, pièces de

conception ou pour des petites séries de modèles fonctionnels, ayant besoin d’une rigidité importante et d’un aspect proche de l’aluminium. La technique employée implique des limites géométriques faibles.

2.4.1.3. Les Métaux :

Après les plastiques, les métaux sont les matériaux les plus employés en impression 3D et essentiellement par les industriels. En tête des utilisations on retrouve le titane et l’acier inoxydable (inox), viennent ensuite l’aluminium, le cobalt, le fer et les métaux précieux tels que le bronze, l’argent et l’or. La fabrication additive à cette capacité à pouvoir produire des pièces métalliques aux géométries plus complexes qu’avec les techniques de fabrication soustractives telles que le fraisage ou par moulage.

Objet en alumide par i.materialise Fig : CC-01

Fig : ALU-01

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• L’acier inoxydable

Ce matériau plus connu sous l’appellation « d’inox » (Fig : AIN-01) a été le premier métal à être utilisé en impression 3D. Comme son nom le suggère il possède des propriétés mécaniques de haute résistance à la corrosion et permet d’obtenir une surface polie et brillante. Plusieurs acteurs de la fabrication additive proposent ce matériau.

Il est aussi possible d’imprimer des pièces en bronze ou en or en utilisant l’inox comme matériau de base: les couches de poudre d’inox sont recouvertes de colle pour injecter du bronze à l’impression.

• L’acier d’outillage Maraging :

Il s’agit d’un acier inoxydable martensitique (Fig : AOM-01) sous-groupe des aciers inoxydables se caractérisant par une grande solidité et dureté, obtenues après un traitement ultérieur thermique. Ce matériau se destine avant tout à la fabrication d’outillage rapide (découpage, extrusion…) et de moules dans les domaines de l’aéronautique, l’astronautique et l’automobile.

- Entre 90 et 200 € le kg.

• Le titane

Les pièces imprimées à partir de titane ou de ses alliages sont réputées pour leur légèreté, leur solidité, leur résistance à la corrosion très élevée et leur biocompatibilité. Les techniques traditionnelles appliquées à ce matériau ont l’inconvénient d’être coûteuses et moins fiable que la fabrication additive.

En effet lorsque l’on soude une pièce en titane par exemple, des impuretés ont tendance à venir s’y déposer, fragilisant ainsi celle-ci. Le titane est par ailleurs un métal qui refroidit très rapidement, il

nécessite donc l’utilisation d’outils particulièrement chers. La fabrication additive est donc de plus en plus employé lorsqu’il s’agit de travailler ce matériau, les plus gros utilisateurs étant les secteurs de l’automobile, l’aéronautique et de la médecine. (Fig : TIT-01)

Un grand inconvénient de ce matériau est son coût élevé, autour de 50 fois supérieur à celui de l’acier.

- Entre 400 et 500 € le kg Fig : AIN-01

Fig : AOM-01

Fig : TIT-01

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27

• Le gallium :

Encore au niveau de la recherche et développement, le gallium est utilisé en alliage avec 25% d’indium pour imprimer des objets à partir de petites bulles de métal ou à partir des câbles de métal autoportant. (Fig : GAL-01) La particularité de cet alliage est dû à la basse température nécessaire pour faire le faire fondre (29,7° C) et au fait que les deux métaux durcissent à l’air, tandis que l’intérieur reste liquide, pouvant imprimer ainsi des pièces flexibles.

• L’aluminium :

Ce matériau est un excellent compromis entre légèreté et solidité. En plus d’être résistant à la corrosion, il peut être soudé. Par rapport aux aciers, il est moins robuste à la fatigue et aux hautes températures, il est principalement utilisé dans les domaines où la notion de poids est essentielle : pièces mécaniques des voitures de course, aéronautique, aérospatiale, vélos etc…

Il est rarement présent à l’état pur, on le trouve plus souvent sous forme d’alliage avec des métaux améliorant les propriétés physiques et mécaniques, comme le silicium et le magnésium. Un exemple classique est l’Aluminium AlSi10Mg, proposé par le constructeur allemand EOS à l’état de poudre, qui permet de fabriquer des pièces solides et complexes. (Fig : ALU-01 à 03)

- Entre 100 et 150 € le kg

• Le Cobalt Chrome :

Grâce au procédé EBM (Electron Beam Melting), une technique voisine du SLS consistant à fusionner une poudre avec un faisceau électron, l’alliage Cobalt Chrome peut désormais être imprimé en 3D. Le suédois Arcam propose par exemple l’ASTM F75, un alliage très solide résistant à l’usure et la corrosion pour concevoir de l’outillage ou des moules. Lisse et résistant, le CoCrMo est un autre alliage employé pour les prothèses de genou ou de hanche par exemple ou des couronnes dentaires. (Fig : Base centrale pour

Hexacopter

Ouvre bouteille Objet imprimé par SLS Fig : GAL-01

Fig : ALU-01 Fig : ALU-02 Fig : ALU-03

Fig : CC-01

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28 CC-01). Toujours dans ce domaine EOS a développé Le Chrome Cobalt EOS SP2 un super-alliage pulvérulent destiné aux restaurations dentaires.

Aérospatial, utilisent certains alliages cobalt-chrome-molybdène très résistants à la chaleur.

Les pièces en alliages du cobalt présentent une meilleure qualité que celles obtenues avec les méthodes de production traditionnelles comme le moulage à cire perdue. Comme les alliages de titane, les alliages cobalt-chrome, comme le CoCrMo par exemple, sont très utilisés en médecine pour la fabrication des prothèses tant en orthopédie comme en odontologie grâce à sa rigidité et son état de surface lisse et résistante à l’usure et à la corrosion.

- 250 € le kg.

• Les matériaux précieux :

Les matériaux précieux tels que l’or, l’argent, le platine ou le cuivre ne peuvent pas être directement imprimés en 3D, mais coulés dans des moules conçus par impression 3D. Pour la création de bijoux, on applique une technique de moulage appelée le moulage à la cire perdue. Concrètement vous moulez votre objet en cire afin de créer un moule en plâtre dans lequel est ensuite coulé le métal fondu. (Fg : MAT-01)

Pour autant s’il n’est pas possible d’imprimer des métaux précieux à l’état pur, des filaments composites imitant leur apparence ont fait leur apparition sur le marché. Un fabricant

Hollandais du nom de ColorFabb s’en est d’ailleurs fait une spécialité. Celui-ci a développé tout une série de filaments composites métalliques à base de PLA et de certains métaux précieux : BrassFill imitant l’or, CopperFill à base de cuivre et Bronzefill à base de bronze.

Il est possible d’ajouter de la colle pour injecter du bronze et de l’or sur un objet imprimé en acier.

Ce procédé est très utilisé en bijouterie et pour la fabrication d’objets de petite taille. Par contre, il faut tenir compte des problèmes et des limites du moulage, les formes trop fines sont à éviter et une épaisseur minimum de 0,8 mm à 1 mm pour les parois est à respecter.

La phase de finition est la clé d’un bon rendu de surface, surtout pour les pièces en argent.

(Fig : 02 et 03) Avec l’or il est possible d’obtenir différentes nuances des couleurs (rose, blanc, jaune).

Enfin, il est important de remarquer qu’aujourd’hui il est possible de modifier la structure atomique du métal lors de l’impression afin d’avoir une solidification plus rapide et uniforme, ce qui peut avoir comme résultat un métal plus rigide et résistant.

- Pour les filaments composites comptez en moyenne 50 € la bobine de 750g.

2.4.1.4. matériaux organiques et céramiques :

Impression en argent poli sur Du type sablé

Impression en argent poli sur du type miroir

Fig : MAT-01

Fig : MAT-02 Fig : MAT-03

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• La céramique :

L’impression en céramique fait appel à un procédé spécifique appelé le frittage laser, l’objet subit ensuite un traitement par émaillage à plus de 1000°. Il permet de reproduire un objet qui pourra être réutilisé fonctionnellement dans son environnement réel. En plus d’être alimentaire le matériau est étanche et recyclable. Idéal pour la fabrication de tasses, soucoupes, assiettes et même de figurines.

L'impression 3D offre un intérêt certain dans la création d'objets complexes en céramique.

Pour ce faire, soit on utilise le procédé SLA avec de la résine liquide couplée à de la céramique, soit on exploite la technique SLS avec une poudre de céramique.

• Les cires :

Utilisées pour la création de moules de haute précision, les cires sont exploitées dans des domaines comme la bijouterie ou l'industrie dentaire. La résistance du matériau à la chaleur permet de fabriquer des moulages pour des objets métalliques.

• Les matières alimentaires :

Du chocolat au fromage en passant par le sucre, de nombreux aliments peuvent être imprimés en 3D. Certaines machines, comme la Choc Creator, offrent la possibilité d'imprimer des formes très complexes et précises en chocolat. La confection de décorations comestibles est aujourd'hui la principale utilisation de l'impression 3D dans le domaine culinaire. Toutefois, de nombreuses réserves sont émises quant à l'hygiène autour des créations produites.

• Sable :

Le sable est utilisé principalement pour la fabrication des moules de fonderie mais il peut être aussi très utile dans le domaine de l’architecture quand il est combiné avec d’autres matériaux. Ce matériau a été imprimé la première fois en 1999 par l’entreprise ExOne qui propose aujourd’hui la plus grande imprimante de sable du marché, la S-Max, capable d’imprimer des pièces d’une taille maximum de 1800 x 1000 x 700 mm.

• Béton :

Le même principe d’impression des céramiques peut être utilisé pour imprimer du béton ou n’importe quel autre matériau composite fabriqué à partir d’une pâte humide. Le MIT Media Lab a développé une machine d’impression 3D de grandes pièces de polyuréthane où le béton est coulé, ce qui permet la fabrication de portes, fenêtres, murs de construction, etc…

Une autre technologie pour l’impression de bâtiments entiers en béton artificiel a été mise au point en Italie par Enrico Dini, fondateur de D-Shape. Cette machine a été inspirée par la technique de Stéréolithographie (SLA), mais cette fois ci elle utilise du sable et les rayons UV sont remplacés par un liant inorganique qui, en plus, donne au matériau les propriétés du marbre. Ce projet promet de changer la façon dont on conçoit l’architecture !

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• Le bois :

Il ne s'agit pas d'imprimer des objets composés à 100 % de bois, mais de création à partir d'un alliage de polymère et de bois recyclé — environ 40 %. Le filament Laywoo offre un rendu visuellement proche du véritable bois. On fait alors varier la couleur de rendu en adaptant la température d'extrusion (de 185 à 230°C), (Fig : BS-01).

• Tissus biologiques :

Aujourd’hui, il est désormais possible de parler d’impression 3D de tissus humain fabriqués à partir d’une structure en gel sur laquelle les cellules vivantes sont injectées pour commencer la construction du tissu biologique, (Fig : TB-01). La limite de cette technique est l’alimentation constante en sang pour permettre aux cellules de rester vivantes lors de l’impression. C’est un domaine en plein recherche et développement (comme on le verra par la suite).

La société pionnière dans cette technologie est Organovo avec l’imprimante NovoGen MMX Bio-Printer, mais il y a aussi d’autres entreprises comme EnvisionTEC et différentes universités qui ont des modèles de machines pour répondre à cette nouvelle tendance, très importante dans l’avenir des transplantations et du domaine pharmaceutique en général.

Impression du tissu organique chez Organovo Fig : BS-01

Fig : TB-01

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2.5. Etude Matière ABS (la plus utilisée) :

Il appartient à la famille des thermoplastiques mais contient une base d’élastomère à base de polybutadiène qui le rend souple et résistant aux chocs.

L’ABS (acrylonitrile butadiène styrène) fond entre 200 et 250 ºC et peut supporter des températures très basses (- 20 ºC) comme élevées (80 ºC). En plus de sa bonne résistance, ce matériau permet d’obtenir une surface polie, est réutilisable et peut être soudé par procédés chimiques (en utilisant l’acétone).

Cependant, il n’est pas biodégradable et rétrécit au contact de l’air, raison pour laquelle la plateforme d’impression est chauffée afin d’éviter le décollement des pièces.

Propriétés de l’ABS :

Propriétés Mécaniques ABS Méthode de Test Métrique

Résistance à la Traction, Type 1, 0.125" ASTM D638 22 Mpa Module E (en traction), Type 1, 0.125" ASTM D638 1627 Mpa

Allongement (rupture), Type 1, 0.125" ASTM D638 6 %

Résistance à la Flexion ASTM D790 41 Mpa

Module E (en flexion) ASTM D790 1834 Mpa

Résilience IZOD, avec entaille ASTM D256 107 J/m

Résilience IZOD, sans entaille ASTM D256 214 J/m

Propriétés Thermiques ABS Méthode de Test Métrique

Température de Fléchissement @ 66 psi (0.455 MPa) ASTM D648 90° C Température de Fléchissement @ 264 psi (1.82 MPa) ASTM D648 76° C

Température de Transition Vitreuse (Tv) DMA (SSYS) 104° C

Autre Propriétés ABS Méthode de Test Valeur

Densité ASTM D792 1.05

Dureté Rockwell ASTM D785 R105

Rigidité Diélectrique IEC 60112 32 kV/mm

Permittivité Diélectrique @ 60 MHz IEC 60250 2.4

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L’essai de traction :

2.5.2.1. Principe :

L´éprouvette est allongée le long de son axe principal à une vitesse constante jusqu´à sa rupture ou jusqu´à ce que la contrainte (charge) ou la déformation (allongement) ait atteint une valeur prédéterminée.

La charge supportée par l´éprouvette et son allongement sont mesurés pendant l´essai.

• La machine de traction

La machine d´essai de traction doit être capable de maintenir les vitesses d´essai selon des tolérances précises.

Les mors maintiennent les éprouvettes, qui doivent être fixées à la machine.

Et cela de façon à ce que l´axe de celles-ci coïncide avec la direction de la ligne centrale de traction de l´ensemble du système de serrage.

L´indicateur de force est capable d´indiquer la force de traction totale supportée par l´éprouvette (capteur).

L´extensomètre détermine la variation relative de la longueur de référence de l´éprouvette à chaque instant de l´essai.

• L’éprouvette :

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33

• Courbes obtenues suite aux essais :

2.5.2.2. Essaie réalisés au lycée Beaupré :

Nous avons eu l’occasion d’effectuer des essais de résistances des matériaux sur la matière utilisée par l’imprimante 3D MakerBoot du CESI : Acrylonitrile Butadiène Styrène. Les essais matières ont été effectués dans le laboratoire du Lycée Beaupré à Haubourdin. Et cela sous l’encadrement du Docteur Sabin.

Nous avons dû modéliser les éprouvettes sous Autocad pour pouvoir les imprimer en 3D au CESI. Les cotations respectent la norme ISO 527-1 (Norme Européenne en annexe)

Nous avons effectué des impressions à deux niveaux de remplissage différents : 10%

(structure alvéolaire pour pallier au manque de remplissage) et 100%.

• Mesures des masses des éprouvettes en g:

Au vu des résultats, on peut conclure que les masses sont très proches, pour chaque niveau de remplissage. Ce dernier semble être constant.

Remplissage 10% Remplissage 100%

Masse 1 5,886 10,053

Masse 2 5,818 10,032

Masse 3 5,841 10,104

(35)

34

•

Essai de Traction :

Machine de traction utilisée

- Cotations en mm :

Cotation Normalisée Cotation Réelle

Largeur 10 ± 0,2 10,62

Epaisseur 4 ± 0,2 5,07

Les incertitudes entre la demande et le réel s’élève de l’ordre de 5 à 20 %.

• Première série de test avec un remplissage de 10% :

Le nombre d’essai est fixé à 3.une moyenne est effectuée pour l’obtention des résultats.

La machine d’essai de traction effectue les trois essais et les représentent sur un graphique avec la déformation en % en abscisse et la contrainte en MPa en ordonnée.

Sur la courbe, on peut lire la représentation graphique des essais et en interpréter les caractéristiques de la matière étudiée.

La machine détermine le point de début de déformation et l’indique avec le point D.

Le point F permet de tracer la tangente à la courbe pour déterminer l’allongement linéaire.

Le point E représente la contrainte maximale en MPa admise lors de l’essai.

Le point R est le point de rupture de la préforme, que l’on vient lire sur l’axe des abscisses.

Eprouvette N°

Largeur Eprouvette en mm

Epaisseur Eprouvette en mm

Contrainte Maximale Mpa

Déformation maximale en

%

Contrainte rupture en Mpa

Déformation rupture en %

1 10,92 5,1 13 2,671 12,926 3,232

2 10,45 5,01 15,1 2,685 14,95 3,295

3 10,49 5,09 14,9 2,908 14,655 3,245

Minimum 10,45 5,01 13 2,671 12,926 3,232

Moyenne 10,62 5,07 14,3 2,755 14,177 3,424

Maximum 10,92 5,1 15,1 2,908 14,95 3,745

Ecart Type 0,26 0,05 1,1 0,133 1,093 0,28

• Seconde série de test avec un remplissage de 100% :

Les conditions et interprétations graphiques sont identiques que celles pour l’essai à 10% de remplissage.