Impression 3D : quelles sont les applications possibles ?

L’impression 3D est un procédé de fabrication dont l’étendue du champ d’application reste encore sous estimé par beaucoup. Si les médias relayent de plus en plus ses exploits, pour autant particuliers mais aussi nombre de professionnels ignorent bien souvent tout de son réel potentiel et de ses multiples usages. Pourtant les possibilités de créations offertes par cette technologie remettent sérieusement en question notre manière de produire de nombreux objets et de les consommer. Afin de combler les lacunes mais aussi dissiper les fantasmes, nous allons voir ici les différents secteurs d’activité couverts par cette technologie. Du prototype industriel au produit alimentaire, découvrez un panorama des applications possibles avec l’impression 3D.

Des prototypes

Si l’impression 3D n’a commencé à être médiatisée qu’il y a une dizaine d’années, en réalité ce procédé ne date pas d’aujourd’hui. En effet, cette technologie trentenaire dont le 1er brevet a été déposé en 1984 par trois chercheurs français, est connue depuis plus de 20 ans par les industriels sous le nom de fabrication additive (fabrication par addition de couches) ou de prototypage rapide. Ce dernier terme doit son nom à l’utilisation de l’impression 3D pour la fabrication de prototypes, seule application vraiment fonctionnelle à cette époque.

Un prototype désigne en fait le premier exemplaire d’un produit, une version test qui permet de vérifier sa conception et sa faisabilité avant sa production en série. De par sa fonction, il est donc non seulement produit en très petite quantité mais est aussi amené à changer souvent de caractéristiques. De ce fait la fabrication d’un prototype n’est pas adaptée à la production de masse beaucoup trop coûteuse pour de si petites quantités.

L’impression 3D présente l’avantage d’être très économique grâce à un process de conception raccourci. Contrairement aux techniques de fabrication traditionnelles (injection plastique, fraisage…), il n’y a ni d’outillage ni assemblage, ce qui rend la création plus rapide en éliminant de la main d’œuvre et de nombreux intermédiaires. Les industriels qui utilisent ce procédé peuvent passer directement de l’idée à l’objet, c’est-à-dire du modèle 3D au prototype en quelques heures et non plusieurs semaines. Cette capacité à réduire le temps et le coût de production, séduit de plus en plus d’industriels qui intègrent aujourd’hui cette technologie dans leur process de conception.

Signe fort de cet intérêt, le prototypage rapide représente plus de 70% du marché de l’impression 3D. Parmi les industriels à faire du prototypage rapide, citons par exemple le constructeur français Renault qui a utilisé ce procédé pour sa Twizy, une petite voiture citadine électrique, ou encore Adidas pour le prototypage de ses chaussures F50 Micoach (voir photo ci-dessus).

Des maquettes

La fabrication de maquettes fait partie des toutes premières applications de l’impression 3D. Le plus souvent destinée à des projets architecturaux ou artistiques, la maquette est une représentation miniature, concrète et tactile, qui permet de visualiser en trois dimensions, de juger et de vérifier la faisabilité d’un projet. L’impression 3D présente de nombreux avantages par apport aux techniques traditionnelles de fabrication :

– Un gain de temps : quelques heures seulement avec l’impression 3D contre souvent plusieurs jours de réalisation pour des maquettes en mousse ou en bois.

– Plus économique : L’impression 3D est beaucoup plus économique sur les petites et moyennes séries (jusqu’à 75%) que les techniques classique de moulage, d’usinage ou d’assemblage.

– Une meilleure précision : plus précise, l’impression 3D est capable de retranscrire un design au micron près et autorise des formes beaucoup plus complexes.

– Une meilleure résistance : que ce soit l’ABS pour le procédé FDM (dépôt de fil en fusion) ou les polymères pour le frittage laser, les matériaux d’impression offrent généralement une meilleure résistance que les matériaux traditionnels souvent plus fragiles.

De l’outillage

L’impression 3D est également de plus en plus utilisée en pré-production. Elle intervient dans la phase de conception de pièces outils pour améliorer l’efficacité du processus de production industriel. Dans ce domaine, elle permet de faire baisser les coûts de production grâce à l’accélération du processus de fabrication des moules, des maîtres modèle ou via la fabrication directe d’accessoires. En effet les outillages sont généralement des pièces fabriquées en petites séries qui peuvent se révéler très complexes. Avec l’impression 3D on peut fabriquer en s’affranchissant de toute contrainte de formes et de délais. Outre le fait de réduire le cycle de production, les moules imprimés par exemple, présentent aussi l’avantage de pouvoir refroidir plus rapidement la matière injectée.

Ces bénéfices ont séduit plusieurs grands noms de l’industrie, notamment Nike qui a utilisé une imprimante 3D pour concevoir les moules de ses chaussures Springblades, ou des constructeurs automobile comme Nissan qui tirent parti de l’impression 3D pour réaliser divers d’outils comme des gabarits de montage par exemple, pour leurs lignes d’assemblages.

Des prothèses

Après l’industrie, le secteur de la santé est le plus représenté. En effet, la fabrication additive est une technologie en plein essor dans le domaine médical, les fabricants de prothèses auditives et dentaires étant ceux qui utilisent aujourd’hui le plus ce procédé. Les audioprothésistes emploient déjà massivement (depuis plus de 10 ans déjà) cette technologie qui présente l’avantage de produire des pièces sur mesures parfaitement adaptés à la morphologie du patient.

Si ces dernières étaient particulièrement coûteuses à produire avec les méthodes conventionnelles, l’impression 3D a permis de faire chuter leur coût de production et de raccourcir les délais de fabrication. Certaines imprimantes 3D sont par exemple capables de produire jusqu’à 65 appareils auditifs en moins de 90 minutes… Aujourd’hui près de 100% des prothèses auditives sont imprimées en 3D.

Les professionnels du dentaire et de l’orthodontie utilisent de plus en plus l’impression 3D pour sa précision et sa production accrue. Selon les imprimantes 3D, il est possible de fabriquer des moulages de dents, des gouttières, des bridges ou des couronnes provisoires parfaitement ajustées à la denture du patient. Preuve de cette utilisation massive, selon l’expert Britannique Phil Reeves, en 2010 ce sont pas moins de 500 000 implants dentaires et 17 millions de gouttières qui ont été imprimées en 3D dans le monde. Sans le savoir il n’est donc pas impossible que vous portiez des objets conçus avec cette technologie…

Les dentistes utilisent également des imprimantes 3D pour concevoir des guides chirurgicaux. Une fois posés sur la denture du patient, ces derniers servent de guide pour poser différents implants.

Ces dernières années l’impression 3D s’est particulièrement illustrée dans le domaine du handicap, en permettant l’accès à des prothèses de membres (d’avant-bras et de mains) très bon marché. Ces dispositifs extrêmement coûteux (de 10 000 à 70 000 €) lorsqu’ils sont fabriqués avec les techniques traditionnelles, peuvent être imprimés pour quelques centaines d’euros seulement.

Sous l’impulsion de Robohand, un projet philanthropique né en 2011, une dizaine de programmes associatifs (Not Impossible, E-NABLE, Bionico…) partagent aujourd’hui les plans de leurs prothèses open source, sur des plateformes de partage telles que Thingiverse. Ainsi n’importe qui dans le monde, peut télécharger le fichier et imprimer sa prothèse en y apportant ses propres modifications selon sa morphologie et ses goûts. Lorsqu’une personne n’a pas d’imprimante 3D, ces réseaux se chargent de la mettre en relation avec le bénévole le plus proche.

Des implants

Perçue comme l’une des meilleures voies d’amélioration de l’efficacité thérapeutique, la fabrication additive permet aujourd’hui de fabriquer des implants médicaux sur-mesure. Couplée à l’imagerie médicale (via scanner, IRM ou échographie), celle-ci permet de reproduire à l’identique les caractéristiques anatomiques du patient pour concevoir des dispositifs médicaux implantables parfaitement adaptés à sa morphologie.

C’est en 2012 que le premier implant à été fabriqué selon ce procédé. Il s’agissait d’une mandibule de mâchoire en titane implantée sur une femme de 83 ans atteinte d’ostéomyélite. En 2014, le français MEDICREA a implanté le premier implant vertébral imprimé en 3D au monde. Un dispositif sur-mesure faisant corps avec la colonne du patient et prenant parfaitement appui sur les plateaux vertébraux. Signe fort de l’intérêt grandissant pour cette technique, plus de 20 000 implants médicaux ont été imprimés entre 2007 et 2014.

Des modèles chirurgicaux

La fabrication de modèles chirurgicaux par impression 3D fait partie des usages les plus en vogue dans le milieu médical. Il s’agit en fait de la reproduction d’un organe ou d’un os destiné le plus souvent à préparer une intervention. Ce modèle très fidèle à l’original, permet au chirurgien de mieux visualiser la zone qu’il va opérer et de s’entraîner avant l’opération. Il permet de réduire la durée des interventions et par conséquent ses risques et les effets post opératoires. Ces modèles 3D ont déjà fait plusieurs fois leur preuve, notamment pour les opérations complexes requérant un geste opératoire très précis.

En 2014, un nourrisson dénommé Roland Lian Cung Bawi, alors atteint de malformations cardiaques, avait pu être sauvé grâce à une reproduction imprimée en 3D de son cœur malade. Cette même année, le Boston Children’s Hospital avait opéré avec succès un bébé épileptique, en fabriquant une réplique très fidèle de son cerveau par impression 3D. Ces modèles 3D médicaux représentent aussi un outil pédagogique très intéressant pour les étudiants en médecine et les patients.

Des aliments

Si on associe rarement impression 3D et alimentation, ce domaine est pourtant lui aussi concerné par cette technologie. Le procédé employé pour les aliments, s’appuie sur celui du FDM qui consiste habituellement à superposer des couches de matières plastiques en fusion. Pour une imprimante 3D alimentaire, la différence se situe au niveau de la buse qui est remplacée par une seringue d’où va être extrudée la matière. Dans le cas de l’impression 3D de nourriture, la machine ne créé pas la matière, elle permet « juste » de lui donner la forme que l’on souhaite.

Les bénéfices de l’impression 3D dans ce domaine, résident essentiellement dans sa capacité à réaliser des formes complexes (pièces en sucre ou chocolat), et à imprimer des aliments à la texture modifiée, notamment pour les personnes âgées souffrant de troubles de déglutition et de mastication. On pourrait également créer des plats personnalisés, adaptés aux besoins nutritionnels, carences ou allergies de chaque personne.

Parmi les cas les plus illustres dans ce domaine, il y a celui-ci de la NASA qui a été l’un des premiers à s’intéresser à ce procédé. Souhaitant améliorer les conditions d’alimentation de ses astronautes lassés de leurs poudres lyophilisées, l’administration américaine a investit pas moins de 125000 $ pour développer une imprimante 3D alimentaire.

Fabriquée à partir du modèle Reprap Mendel 3D, cette machine encore à l’état de prototype, est déjà capable d’imprimer du chocolat et même des pizzas avec des premiers tests prometteurs. Cette même année (2013) l’entreprise espagnole Natural Machines a dévoilé sa Foodini, une imprimante 3D destinée à fabriquer des pâtes à pizza ou à quiches qui peuvent ensuite être cuites au four. La machine est désormais disponible en pré commande.

Parmi les précurseurs dans ce domaine et les plus en pointe aujourd’hui, citons également le partenariat entre Brill et 3D Systems, deux entreprises qui ont mis au point la première imprimante 3D capable d’imprimer des pièces de sucre. La start-up Sugar Lab (voir photo ci-dessus) tire parti de cette technologie pour vendre des impressions 3D allant des bonbons aux décorations, en passant par des garnitures pour boissons et coquilles à dessert.

En matière d’impression 3D de chocolat, le précurseur s’appelle Choc Edge, une compagnie britannique fondée en 2012 par deux chercheurs de l’université d’Exeter. Ces derniers ont mis au point la Choc Creator, première imprimante 3D capable de fabriquer des pièces en chocolat. Parmi ses concurrents, citons l’australien Solidea et sa Chocabyte ou plus récemment l’américain 3D Systems et sa Cocojet.

Des vêtements

Si l’impression 3D est encore balbutiante dans le secteur de la mode, de nombreux créateurs et designers ont déjà intégré ce procédé dans leur processus créatif. Du fait de son potentiel de personnalisation, cette technologie est particulièrement légitime dans ce domaine. En scannant les différentes parties du corps, il est en effet possible de créer un vêtement (robe, veste, chaussure…) sur-mesure parfaitement adapté à la morphologie de la personne. La marque Continiuum Fashion par exemple, propose des chaussures, des bikinis et divers accessoires entièrement imprimés en 3D.

Les créateurs de mode voient également dans l’impression 3D, un moyen de créer des prototypes à moindre coût et de créer des formes très complexes habituellement impossibles à réaliser avec les techniques traditionnelles. Parmi les créations les plus étonnantes, mentionnons la magnifique Parure Quixotic Divinity du designer Joshua Harker, ou encore la Robe araignée de Anouk Wipprecht.

En décembre 2014, le studio new-yorkais Nervous System dévoilait la première robe imprimée en 3D en une seule fois (voir gif ci-contre). Une magnifique création née du projet Kinematics visant à créer quelque chose de plus souple et de plus confortable que les robes jusqu’alors imprimées en 3D.

Si jusqu’alors l’impression 3D appliquée aux textiles se résumait surtout à de magnifiques prototypes, une start-up californienne dénommée Electroloom a développé une imprimante 3D éponyme capable d’imprimer des vêtements du quotidien. Inspirée par la technologie Cosyflex développé par le britannique Tamicare, la machine utilise une technologie baptisée Field Guided Fabrication (électrofilage), qui consiste à convertir une solution à base de polyester et de coton, en une fibre solide de quelques nanomètres au moyen d’un champ électrique. Une fois générées, les nanofibres sont ensuite projetées sur un moule pour prendre la forme du vêtement que l’on souhaite y imprimer. Faute de financement, la société a malheureusement fermé ses portes en août 2016.

Des murs de maisons

Déjà employée par les architectes pour la fabrication de maquettes de villes ou de bâtiments, l’impression 3D est désormais utilisée pour la construction de murs de maison. Le précurseur en la matière s’appelle Contour Crafting, une entreprise californienne à vocation humanitaire qui a mis au point un procédé d’impression 3D béton. La machine en question se présente sous la forme d’un gros extrudeur, qui se déplace sur un rail et superpose des couches de ciment composite, comme pourrait le faire une imprimante 3D FDM de bureau.

Si la machine n’est pas encore tout à fait au point, d’autres entreprises ont pris une longueur d’avance et commercialisent déjà la leur. C’est le cas de Winsun, une société chinoise qui a développé une imprimante 3D capable de construire des murs de maisons et autres structures en béton.

Parmi les autres constructeurs 3D dans le monde, citons également Skansa, un géant suédois du BTP dont la technologie d’impression 3D béton devrait être disponible d’ici un an, l’ingénieur russe Nikita Chen-yun-tai et sa Apis-Cor, le danois Cobod et l’Italien WASP et sa Big Delta. La France compte aussi des acteurs très performants dans ce secteur. On pense à Batiprint3D, une start-up nantaise à l’origine de la première maison imprimée en 3D certifiée et habitable au monde, ainsi que les français Constructions 3D et XtreeE à qui l’on doit déjà de nombreuses réalisations tels que des bâtiments, du mobilier urbain, et même des récifs artificiels.

Des tissus biologiques

On pourrait croire à de la science fiction et pourtant… La bioimpression ou « bioprinting » qui correspond à l’impression 3D de tissus biologiques, est aujourd’hui une réalité. Le précurseur dans ce domaine s’appelle Organavo, une entreprise américaine qui a mis au point une imprimante 3D très particulière, capable d’imprimer des cellules vivantes. Baptisée NovoGen MMX Bioprinter, cette machine fonctionne sous un procédé similaire à la technologie FDM (superposition de matière fondue) utilisées par les imprimantes 3D de bureau. Les tissus sont imprimés à partir d’un matériau de support appelé hydrogel, dans lequel sont injectés des cellules souches qui fusionnent ensuite entre elles jusqu’à obtenir les fonctions biologiques désirées.

Parmi les acteurs majeurs du bioprinting, citons également Poietis, une société française qui a mis au point un système de Bioimpression par laser, unique au monde. Concernant l’impression d’organes, qui plus est viables et transplantables, c’est un domaine d’application pour le moment beaucoup trop complexe. Même si plusieurs centres de recherche travaillent dessus, pour le moment cela relève plus du rêve que d’un progrès à portée de main.

Des bijoux

La bijouterie compte parmi les domaines qui recourent le plus à l’impression 3D… à tel point qu’il n’utilise quasiment plus que ce procédé. Bien qu’il soit possible d’imprimer directement des métaux précieux tels que l’or, cette technologie est le plus souvent utilisée de manière indirecte pour fabriquer des moules à cire perdue. Ces derniers se destinent à donner la forme au moule final (moule réfractaire) dans lesquels sont coulés les métaux en fusion.

Aujourd’hui de nombreux fabricants proposent des gammes d’imprimantes 3D spécialisées dans la fabrication de moules à cire perdue. L’impression 3D offre plusieurs avantages comme la diminution des temps de fabrication des modèles, mais aussi une excellente finition.

Des accessoires et objets du quotidien

Outre ses applications dans le domaine industriel, l’impression 3D s’adresse plus directement aux particuliers via la fabrication d’accessoires personnalisés. Ainsi certains services tels que Sculpteo, propose par exemple d’imprimer des coques de téléphone portable, customisables presque à volonté. Le client a la possibilité de personnaliser sa coque de protection en y intégrant par exemple son prénom, le relief d’un paysage voir même son propre visage grâce à différents outils et applications proposées sur le site.

On peut fabriquer toute sorte d’objets avec une imprimante 3D de bureau, comme par exemple des prototypes, des maquettes ou certaines pièces de réparation. Le grand public l’emploie surtout pour imprimer des objets du quotidien. Les impressions les plus courantes concernent généralement des objets décoratifs comme des vases par exemple, mais aussi des accessoires tels que des presse-agrume, des coquetiers, des porte-crayon ou encore des portes-clef… Grâce à l’impression 3D l’utilisateur peut réaliser des objets personnalisés pour quelques centimes ou quelques euros seulement.

Des objets artistiques

Les artistes se sont aussi très vite emparés de cette technologie pour créer des sculptures aux formes très diverses et très complexes. L’impression 3D a créé un nouveau processus de création, une nouvelle forme d’expression artistique. Le modèle numérique étant quelque chose de malléable, le processus créatif du sculpteur est très différent. Il peut revenir en arrière, rectifier son modèle, le retravailler et expérimenter à l’infini avant d’aboutir à la pièce parfaite. Ainsi l’impression 3D a donné naissance à une nouvelle esthétique mais surtout une nouvelle forme d’art : la sculpture numérique.

A la fois artiste et ingénieur, Joshua Harker fait partie des pionniers dans ce domaine. Cet américain a développé une technologie d’impression 3D qui lui permet de créer des pièces artistiques d’une finesse et d’une complexité incroyables, à l’image du magnifique bouquet de fleurs ci-dessus.

Des figurines

S’il est bien un objet qui symbolise à lui seul le potentiel de personnalisation de l’impression 3D, c’est la figurine. Il est en effet aujourd’hui possible d’imprimer des statuettes extrêmement réalistes, reproduisant à la perfection les moindres détails d’un visage et d’un vêtement.

Les premiers services spécialisés apparus en 2012, proposent d’imprimer des figurines à partir de photos ou de scan de la personne. Le client peut commander sa propre réplique miniature, ou incarner un personnage en combinant sa tête au corps d’un super héros (cowboy, footballeur, avocat…). Ce type de figurines est le plus souvent imprimées en résine ou sur des poudres de céramique ou de polymère.

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