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Fabrication de prototypes, de petites séries ou de pièces de rechange : L'impression 3D permet d'accélérer de nombreux processus dans les entreprises et de les rendre plus économiques. En effet, les entreprises doivent aujourd'hui faire preuve de flexibilité et de rapidité pour suivre l'évolution de leur secteur. Par exemple, lors de la conception de nouveaux produits ou de processus de production complexes, dans lesquels une machine cassée entraînerait immédiatement un risque financier plus élevé.
Dès 1983, Chuck Hull a développé un moyen de transformer des photopolymères de leur état liquide en une masse solide par une irradiation UV ponctuelle. Cette technique, appelée stéréolithographie, a constitué la base du développement de l'impression 3D, qui a débuté la même année.
Depuis la première utilisation de l'impression 3D, les choses ont évolué. Le choix des matériaux imprimables s'est élargi. Outre les matières plastiques, il est désormais possible d'utiliser du béton, du papier, du métal ou des tissus organiques. Cela est possible grâce à différents procédés de fabrication tels que le frittage sélectif par laser ou la modélisation par dépôt de matière en fusion.
Les imprimantes 3D continuent également à s'améliorer en termes de qualité et de résultats. Ainsi, depuis 2014, il est possible de combiner plusieurs matériaux liquides en une seule impression. Autre amélioration les modèles, en tant que construction légère, sont moins lourds que les objets issus de méthodes de fabrication classiques comme le moulage par injection.
Ce développement rapide a suscité l'intérêt de secteurs économiques. L'industrie automobile s'est d'abord lancée dans la fabrication de prototypes. Ce procédé s'est rapidement étendu à d'autres industries. Aujourd'hui, l'impression 3D est devenue l'une des normes en matière de prototypage, car elle permet de réduire le temps nécessaire à la planification, au développement et à la fabrication d'un nouveau produit (prototypage rapide).
L'impression 3D est également adaptée à la fabrication de petites séries, de pièces uniques ou de pièces de rechange. L'impression 3D est une bonne alternative lorsque la production industrielle est trop complexe et trop chère. En outre, différentes séries ou pièces peuvent être produites directement les unes après les autres. Il n'est pas nécessaire de remplacer les moules, par exemple.
Un autre domaine dans lequel le procédé a fait ses preuves est celui de la fabrication d'outils et de moules. Au lieu de recourir à des fournisseurs externes, il est possible de fabriquer un outil ou un moule, par exemple un moule à injection, en peu de temps et dans l'entreprise même.
Avantages et inconvénients de la technologie d'impression 3D
L'utilisation de cette technologie présente un certain nombre d'avantages pour les entreprises. Elle permet notamment de réduire les erreurs, baisser la consommation de matériaux et limiter le travail nécessaire. Il en résulte une production plus rapide et moins coûteuse.
Réduction des défauts
C'est justement pendant la phase de développement de nouveaux produits que la survenue de défauts de conception et de fonctionnement est normale. Les modèles 3D peuvent être utilisés à court terme et dès les premières étapes du développement. De cette manière, les défauts peuvent être identifiés et éliminés plus tôt que lors de la fabrication d'objets à la main ou de moules. Comme ces approches classiques prennent beaucoup de temps, les prototypes sont souvent utilisés plus tard, de sorte que les défauts ne sont remarqués qu'après avoir investi beaucoup de travail et de temps. Il en va de même pour les autres possibilités d'utilisation de l'impression 3D. Ainsi, la production d'un petit nombre de pièces peut être arrêtée et corrigée de temps en temps, et non à la fin de la fabrication.
Plus une imprimante 3D est de qualité, plus la pièce produite est précise et fidèle à l'original. Il est par exemple possible de fabriquer des objets à partir de différents matériaux et de reproduire les propriétés du produit. Qu'il soit multicolore ou transparent, caoutchouteux ou solide, avec des parties mobiles ou non. Les thermoplastiques, les photopolymères et les matériaux composites sont en mesure de fournir pratiquement n'importe quelle propriété de matériau. Ils résistent sans problème aux processus de post-traitement tels que la peinture ou le polissage. Ainsi, contrairement aux conceptions numériques sur ordinateur, l'aspect et le toucher des modèles correspondent au produit final. Les tests effectués sur les objets permettent de mettre en évidence les défauts qui, sur le produit final, entraîneraient des coûts et des délais d'amélioration élevés. Cela signifie qu'il est possible d'imprimer des prototypes et d'éliminer les erreurs à un stade précoce du développement.
De plus, une fois les modèles créés, ils peuvent être modifiés et reproduits à volonté sur l'ordinateur. Si la première ébauche du prototype présente des défauts ou si, par exemple, la conception doit être améliorée, il suffit de modifier le strict nécessaire. Ensuite, les imprimantes peuvent immédiatement produire la génération suivante du prototype.
Réduction de la consommation de matériau
La fabrication exacte de la forme souhaitée permet de réduire la consommation de matériaux. L'imprimante 3D construit les modèles à la taille et à la forme requises. C'est une différence essentielle par rapport aux pièces dont les formes primitives ne prennent leur forme définitive qu'après avoir été découpées, meulées ou percées. Grâce à la faible consommation de matériaux et à la réduction de la consommation d'énergie et de main-d'œuvre, la fabrication est plus économique.
Réduction du besoin de main d'oeuvre
La charge de travail peut être réduite à différents niveaux. D'une part, les coûts et le temps consacrés au développement sont réduits, car les prototypes sont testés à un stade précoce. Lors de la production, il n'est plus nécessaire de construire des moules et de les changer dès qu'une nouvelle série de produits est lancée. Les pièces imprimées sont prêtes, le post-traitement est terminé en peu de temps ou n'est pas nécessaire. De plus, les coûts ne dépendent pas du nombre de pièces imprimées et sont exempts d'effets d'échelle. Cela signifie qu'avec l'impression 3D, la production de très petites quantités ne coûte pas plus cher que celle de grandes quantités. Dans la fabrication classique, les coûts de production diminuent généralement lorsque la quantité produite augmente.
Accélération de la production
L'utilisation à court terme et flexible de l'impression 3D aboutit à une accélération de la production. Cela inclut la réduction des efforts de développement et de la charge de travail. C'est particulièrement vrai pour la fabrication de pièces de rechange. Sans l'impression 3D, la production doit, dans le pire des cas, être suspendue jusqu'à la livraison d'une pièce de rechange. En revanche, une imprimante 3D produit les pièces nécessaires sur place, selon le principe du juste-à-temps.
Procédé respectueux de l'environnement
De plus, l'impression 3D est, à bien des égards, plus respectueuse de l'environnement que les méthodes d'approvisionnement traditionnelles. D'une part, la consommation de matériaux est moindre, ce qui réduit les déchets. D'autre part, les transports sont réduits au minimum, voire supprimés, car les pièces nécessaires peuvent être imprimées directement sur place. Cela contribue à la réduction des émissions de CO2.
Inconvénients de l'impression 3D
- La conception d'un modèle imprimable requiert des connaissances et une expérience spécifiques.
- Le processus d'impression dure plusieurs heures ou jours, selon la complexité de l'objet.
- La production de masse n'est pas encore possible car la fabrication classique est plus avantageuse à partir d'un certain nombre de pièces.
Médecine et recherche médicale
- Prothèses et orthèses
- Modèles de pratique préparatoire aux opérations
- Implants tels que rotules ou implants maxillaires
- Premiers essais d'impression d'organes et de parties de corps
Machine-outils et fabrication
- Impression de pièces de rechange ou spéciales à la demande
- Amélioration de sa gamme de produits, p. ex. poids allégé, refroidissement intégré
- Fabrication sans outil de produits, pour lesquels des moules étaient nécessaires autrefois
Industrie des biens de consommation
- Confection de vêtements et de bijoux
- Impression d'objets domestiques
- Production de jouets à l'unité
Architecture
- Impression de ponts et de maisons à 1 étage
- Maquettes détaillées de bâtiments et de complexes immobiliers
Aéronautique et aérospatiale
- Production de pièces d'avion pour alléger le poids de l'avion et réduire la consommation de kérosène
- Impression de drones
Industrie agroalimentaire
- Fabrication de nouilles
- Impression de sucreries comme les bonbons gélatineux, les biscuits
Aujourd'hui déjà, de nombreuses choses sont possibles grâce à l'imprimante 3D, chez les particuliers et dans les entreprises. À l'avenir, cette technologie continuera à se développer et certains s'attendent même à ce qu'elle ait un impact profond sur les modèles commerciaux, les processus de production et les chaînes de création de valeur.
Impression 3D dans les établissements scolaires
Les entreprises ne sont pas les seules à avoir reconnu les avantages des imprimantes 3D. Dans les établissements d'enseignement, elles sont utilisées pour faciliter l'apprentissage et la recherche des élèves et des étudiants.
Les écoles utilisent la technologie, en particulier dans les disciplines MINT (mathématiques, informatique, sciences naturelles et technologie), pour enseigner aux élèves des compétences en science, technologie et design.
Ainsi, en cours de mathématiques, les formes géométriques deviennent tangibles, la création de modèles CAO fait partie du cours d'informatique et le processus de production complexe et technique devient compréhensible lors de la création d'un modèle 3D. L'imprimante 3D est également utile dans le domaine des sciences naturelles. Elle permet de visualiser différentes choses, par exemple les cellules du corps humain.
Dans les universités, l'impression 3D est utilisée dans de nombreux domaines, par exemple dans les filières techniques ou dans la recherche. Les étudiants en médecine peuvent s'exercer aux opérations de manière pratique à l'aide d'objets 3D.
De cette manière, les élèves et les étudiants acquièrent des connaissances sur le processus innovant d'impression 3D qui peuvent les aider dans leur parcours professionnel.
Manuel Impression 3D pour l'enseignement
L'impression 3D est un domaine thématique en constante évolution et très innovant. Elle permet de présenter clairement de nombreux aspects de la numérisation avec une imprimante 3D..
Avec le "Manuel d'impression 3D" gratuit, nous souhaitons soutenir cette évolution : Il est conçu comme un guide pas à pas sur la manière d'intégrer ce sujet passionnant dans les disciplines techniques, la formation ou les établissements scolaires en général.
Exemple issu de la pratique
L'Université technique de Rhénanie-Westphalie (Aix-la-Chapelle) RWTH a développé en coopération avec Conrad une plateforme collaborative, qui permet de mettre en réseau les ressources de production et les commandes des clients. Une simulation de sites de production a été créée pour illustrer ces approches. Grâce à des imprimantes 3D, cette simulation peut distribuer des ordres d'impression à des sites via un réseau et lancer la production.
Le centre de technologie de Conrad Electronic il a fourni, en plus de l'imprimante 3D Renkforce RF500 que nous vous conseillons, la recommandation d'utiliser la Renkforce 3D Printbox "Astroprint". Celle-ci permet de piloter les imprimantes via une interface de programmation et d'envoyer des ordres d'impression sur le réseau via la plateforme existante au moyen d'une architecture serveur-client.
Différents procédés d'impression 3D
Les nombreuses possibilités d'application qu'offre la diversité des matériaux et des formes nécessitent également différentes méthodes de fabrication. La variante d'impression la plus répandue est la méthode additive, également appelé fabrication générative, dans lequel un objet est créé par l'ajout, l'application et le dépôt de matériau. Le modèle numérique sert de référence. Voici quelques exemples :
| Procédés d'impression additive | Matériaux adéquats pour l'impression |
|---|---|
| Fusion sélective par laser (SLM) et fusion par faisceau d'électrons |
Métaux |
| Frittage sélectif par laser (SLS) |
Polymères, céramique, métaux |
| Stéréolithographie (SLA) et photopolymérisation (DLP) |
Résine synthétique liquide |
| Modélisation Polyjet et modélisation par dépôt de matière fondue (FDM, ou Fused Filament Fabrication, FFF) | Plastiques, résine synthétique |
D'autres possibilités, moins utilisées, sont les méthodes de façonnage, dans lesquelles le produit obtient sa forme par des méthodes mécaniques ou thermiques telles que le pliage, le pressage et le moulage. Les approches soustractives traitent les matériaux bruts par fraisage, tournage, perçage et méthodes électriques pour obtenir l'objet souhaité. Les imprimantes qui combinent plusieurs processus relèvent des méthodes hybrides.