Les sept grandes familles de procédés en impression 3D

Il existe ainsi sept grandes familles de procédés de fabrication additive, chacune avec des caractéristiques distinctes.

Extrusion de matériel (Material extrusion)

Ce procédé consiste à déposer de la matière (à l’état liquide ou semi-liquide) via un embout. La matière passera à l’état solide une fois déposée. On construit donc un objet en superposant des traits solidifiés couche par dessus couches.

Ce procédé est le plus répandu. Cela s’explique par le fait que le processus est relativement sans danger, même dans un bureau, que la matière première est peu dispendieuse et variée, que des objets de grande taille peuvent être imprimés et que le résultat final a de bonnes propriétés mécaniques. D’un autre côté le procédé demeure un des plus lent, avec un fini de surface et des tolérances sous la moyenne.

Cela fait de l’extrusion de matériel un candidat idéal pour les imprimantes destinées aux hobbyiste, aux écoles aux FabLabs, mais aussi aux entreprises qui désirent faire du prototypage, du maquettage ou de l’outillage à faible coût.

Photopolymérisation en cuve (Vat Photopolymerisation)

Ce procédé regroupe la Stéréolitographie (SLA), le Digital Light Processing (DLP) et le Continuous Liquid Interface Production (CLIP). Le principe est d’utiliser une résine contenue dans un bassin et une source de lumière pour solidifier ladite résine.

Ce procédé est le second plus répandu. Il demeure relativement abordable et c’est le seul avec l’extrusion qui s’utilise dans un bureau. Le fait d’utiliser de la lumière sur une surface entière permet d’assurer un excellent niveau de précision, un fini de surface lisse et des tolérances serrées sans post-traitement, en plus de réduire le temps d’impression. Cependant, la matière première est hautement toxique et la taille d’un objet donné est assez limité. De plus, des opérations de posts traitement doivent être effectuées pour éviter que la pièce ne se dégrade.

La photopolymérisation est donc un candidat de choix dans l’industrie dentaire, pour les objets d’arts (joaillerie, figurine, etc.) ou pour des prototypes ou pièces de remplacement qui demandent un haut niveau de précision.

La fusion de bain de poudre (Powder bed fusion)

Ce procédé débute avec un bain de poudre, qu’on va faire fondre de manière sélective en utilisant un faisceau d’énergie (laser, électron).

Le processus permet d’obtenir des pièces de très haute précision, tant en métal qu’en plastique, de bonne tolérance et avec d’excellentes propriétés mécaniques, mais à un coût élevé. Les poudre utilisées dans ce processus doivent être très fines, et les particules doivent être de formes et de taille similaire, ce qui rend la matière première et l’imprimante à proprement parler très dispendieuses. La poudre de titane peut se vendre 800$ le Kg par exemple. La poudre représente aussi un risque pour la santé humaine et les pièces doivent être nettoyée avec soin avant de pouvoir être utilisée.

La fusion de bain de poudre demeure cependant le processus le plus mature pour le métal. Cela en fait le processus de choix pour les secteurs de l’aéronautique ou le médical, qui peuvent se permettre d’avoir des pièces dispendieuses.

Le jet de liants (Binder jetting)

Ce procédé utilise deux matériaux : un bain de poudre et un liant. On dépose une fine couche de poudre en strate et on la lie sélectivement grâce à un jet de liant (similaire à une imprimante à jet d’encre). Le liant peut être chauffé dans certain cas pour améliorer l’adhésion ou cuit dans une phase de post-traitement.

Ce processus est un des plus rapides et permet d’obtenir des pièces avec de bonnes tolérances et de bonne propriétés mécaniques. Le fini reste cependant rugueux et du post-traitement peut être requis dans le cas où le liant sert uniquement à obtenir un “green”.

Le jet de matériel (Material Jetting)

Le principe de ces imprimantes est le même que pour les imprimantes à jet d’encre. La différence est qu’on va projeter sélectivement un jet de résine (ou autre matériel de fabrication) qu’on va potentiellement aussitôt solidifier grâce à de la lumière par exemple.

Le jet de matériel permet d’obtenir des objets avec un beau fini et de bonnes tolérances, en plus de permettre de facilement varier les couleurs ou même les matériaux à l’intérieur d’un même objet. Les imprimantes sont cependant dispendieuse et les résines peuvent utilisée poser un risque pour la santé humaine.

Dépôt d’énergie dirigé (Directed Energy Deposition)

Ce procédé ressemble à de la soudure. On dépose de la matière première à l’état solide et on utilise un faisceau d’énergie (laser, électron) pour la faire fondre au fur et à mesure qu’elle est déposée. Ce procédé permet, entre autres, de réparer des objets métalliques (ex: pales de turbine).

Le processus permet de fabriquer ou de réparer des objets de métals de très grands formats. Cependant, les machines sont très dispendieuse et moins répandue que la fusion du bain de poudre.

Stratification (Sheet lamination)

Ce processus consiste à superposer des feuilles et à les joindre ensemble (par ultrason dans le cas du métal ou pas liant dans le cas de carton ou plastique). Dès qu’une feuille est liée, elle est découpée afin de représenter la forme 3D. On finit par former un objet en 3D en superposant ces feuilles les unes sur les autres.
Ce procédé demeure cependant très peu répandu et assez nouveau, donc peu caractérisé.

Synthèse

Chaque procédé vient avec ses particularités, ses forces, ses faiblesses. De plus, chaque imprimante qui utilise un même procédé peut amener des tolérances, des volumes d’impression, des vitesses et des coûts qui varient grandement.

Le tableau suivant synthétise les caractéristiques de quelques imprimantes commercialement disponibles:

* Le coût de la balle de golf est le coût d’une soumission à un service d’impression professionnel pour imprimer une balle de golf avec l’imprimante donnée.

Le prix reflète donc : le coût de la matière première, le coût de la main d’oeuvre et du post-traitement et l’amortissement de l’imprimante ainsi que la marge de profit pour le service.
Toutes les soumissions ont été faites avec du acier inoxydable 316L dans le cas du métal, du nylon pour les plastiques (enrichi de fibre de carbone dans le cas de Markforged©) et de polyuréthane pour les résines.

En se dissociant des contraintes d’outillages ou de démoulage, il devient alors possible de fabriquer virtuellement n’importe quel objet avec l’impression 3D. C’est là une de plus grande force du procédé. La fabrication 3D est en effet reconnue pour sa capacité à produire des objets à faible coût, sur mesure, localement, sur demande et sans interaction humaine.

Le procédé vient aussi avec ses faiblesses. Malgré que le temps de mise en place soit quasi nul, la fabrication à proprement parler demeure longue. Il faut parfois aussi compter que le post-traitement peut être aussi long, voire plus que l’impression elle-même.

L’impression 3D demeure relativement nouvelle : il peut être difficile de trouver des gens qualifiés pour opérer les imprimantes ou de concevoir des pièces qui tirent profit des avantages de la technologie. Cette tendance est vouée à changer puisqu’on remarque que plusieurs pays commencent à intégrer l’impression 3D dans leur curriculum académique.

Le processus n’offre pas de gains sur la quantité : le temps et le prix seront le même par objet, qu’on en fasse un seul ou dix milles. Les matériaux disponibles sont aussi une contrainte : ce ne sont pas tous les matériaux qui peuvent être imprimés en 3D, et le prix est parfois significatif, particulièrement pour les métaux. Finalement, il est parfois difficile de caractériser les propriétés mécaniques des objets imprimés.

L’impression 3D n’est donc pas vouée à remplacer tous les autres procédé de fabrication, loin de là. C’est plutôt un nouvel outil accessible aux manufactures qui répond à certains besoins. Comme tout outil, il faut donc savoir quand l’utiliser et quand un autre outil est mieux adapté à un besoin particulier. Bien utilisée, la fabrication additive peut procurer des avantages en terme de réduction de coûts, réduction de temps ou d’amélioration de la qualité.