Prototypage rapide et impression 3D

prototypage rapide et impression 3D

La confusion est souvent de mise lorsque l’on parle de prototypage rapide et d’impression 3D.
L’expression prototypage rapide serait apparue pour la première fois en 1987, soit 3 ans après le dépôt du premier brevet d’impression 3D par trois chercheurs français. Elle désignait en fait l’ensemble des procédés d’impression 3D mais aussi les techniques traditionnelles autres que l’injection – c’est à dire soustractives comme le fraisage – , permettant de réaliser rapidement des pièces (le plus souvent des prototypes) à partir de modèles CAO.

Les termes synonymes que sont : fabrication additive employé aujourd’hui par le monde professionnel, et d’impression 3D apparus en même temps que les premières imprimantes 3D grand public, remplaceront progressivement cette expression au fur et à mesure que le prototypage se substituera à la fabrication directe.

Fonctionnement du prototypage rapide

procédé par projection de liant

Traditionnellement les prototypes industriels étaient fabriqués selon une technique dite par injection. Il s’agit d’une méthode de fabrication connue aussi sous le nom moulage par injection et qui trouve sa genèse en 1872 aux Etats-Unis. Le principe de l’injection plastique consiste à ramollir des granulés plastiques, par la suite injectés dans un moule à l’aide d’une vis sans fin en rotation. La pièce finale est obtenue en retirant la matière du moule après son refroidissement. Synonyme d’industrialisation cette méthode permet de fabriquer des objets identiques en très grandes quantités.

L’impression 3D fonctionne selon un principe très différent qui commence d’abord par la création d’un modèle numérique à l’aide d’un logiciel de conception. Ces données appelées G-Code et contenues dans un fichier 3D, fournissent à l’imprimante 3D les informations nécessaires pour déposer la matière selon les axes X Y et Z pour arriver à l’objet final.

Parmi les 7 procédés normalisés de fabrication additive on retrouve la stéréolithographie qui est l’une des techniques les plus anciennes et fondatrice de cette technologie. Cette méthode appelée aussi SLA entre dans la catégorie des matériaux d’impression 3D dit liquides. Popularisé par le fabricant américain Formlabs, la stéréolithographie fonctionne à partir une résine liquide photosensible qui est durcie couche après couche via différentes sources lumineuse (faisceau laser, panneaux LED, LCD…).

impression 3D SLA

Selon le même principe, la technologie FDM que l’on retrouve sur la plupart des imprimantes 3D de bureau aujourd’hui, consiste à superposer des couches de filaments fondus à l’aide cette fois-ci d’une buse chauffante.

La deuxième famille de matériaux particulièrement employée en impression 3D pour le prototypage rapide est la poudre solide. On la retrouve le plus souvent sous la technologie SLS (Frittage sélectif laser). Comme son nom l’indique, elle repose sur l’utilisation d’un laser pour fusionner et lier de fines couches de poudres plastiques ou métalliques.

Dans cette même famille on retrouve aussi le procédé d’impression 3D par projection de liant ou Binder Jetting. L’imprimante 3D embarque des milliers de tête d’impression qui projettent de fines gouttelettes de liants liquide (parfois même colorées) sur la poudre polymère ou métal. L’opération est répétée couche après couche jusqu’à l’obtention de l’objet final.

Applications et avantages de l’impression 3D en prototypage rapide

avantages de la fabrication en prototypage rapide

Comme son nom l’indique le prototypage rapide visait initialement à réaliser des prototypes et de l’outillage de manière directe ou via la fabrication de moules. Au fur et à mesure de son évolution et des progrès de ses différents procédés, aussi bien en terme de volume, de vitesse d’impression et de compatibilité matériau, l’impression 3D est sortie de ses premières applications pour aller vers la fabrication de pièces finies en petites séries. On arrive aujourd’hui a point d’inflexion où cette technologie devient rentable en touchant du doigt la production en grand série.

Les avantages de l’impression 3D par apport aux techniques classiques sont nombreux. S’agissant d’une technique fonctionnant par addition de couches et non par formage comme l’injection plastique ou par retrait de matière comme l’usinage, elle permet de réaliser des géométries beaucoup plus complexes et personnalisées. L’ajout de matière autorise par exemple des formes entrelacées, des embriquements ou des cavités très difficiles voir impossibles à réaliser avec les méthodes traditionnelles.

Le 2ème atout de l’impression 3D est sa souplesse de conception et le nombre de réitérations qu’elle autorise. S’appuyant sur un modèle numérique, elle permet de visualiser le modèle 3D sous tous les angles et de rectifier à tous moments d’éventuels défauts pour procéder à des améliorations. De nombreux tests et variantes d’un même produit peuvent être réalisés avant de lancer sa production définitive. Sachant qu’un moule compte en moyenne 10 000 € pour le moulage à injection, les économies attendues pour une entreprise peuvent être considérables.

l'optimisation topologique

L’autre avantage de la fabrication additive réside dans sa capacité à imprimer une pièce d’un seul tenant là où les techniques classiques nécessitent d’assembler plusieurs pièces à l’aide d’outils. En supprimant les soudures, boulons et autres fixations on réduit non seulement les temps et coûts de production, mais aussi les points de faiblesse.

Fonctionnant par ajout de matière, l’impression 3D favorise en outre l’optimisation topologique. Elle permet d’aller beaucoup plus loin que les techniques classiques. Il s’agit d’une méthode mathématique et logiciel qui optimise la géométrie d’une pièce tout en respectant les forces et contraintes qui lui sont propres.

L’optimisation topologique offre en outre la possibilité de diminuer la quantité de matériau nécessaire à la fabrication d’une pièce en créant des structures lattices. On peut ainsi produire des pièces plus légères et économiser sur le coût du matériau particulièrement élevé en fabrication additive. De nombreux secteurs d’activités exploitent cette capacité, notamment dans le domaine de l’aéronautique et spatial où le poids est un enjeu économique très important, aussi bien en terme de vitesse que de consommation de carburant.