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Impression 3D » Types, procédés, modes de fonctionnement et matériaux
Publié le 05.10.2021 | Durée de lecture : 15 minutes
L'avènement des imprimantes 3D a été une étape importante pour les entreprises. En effet, l'impression 3D permet de fabriquer rapidement et facilement des prototypes, des petites séries ou des pièces de rechange. Les processus des entreprises sont ainsi considérablement simplifiés et accélérés.
Mais les imprimantes sont également un outil utile dans le cadre d'une utilisation privée, lorsqu'il s'agit de réaliser des pièces spéciales ou des pièces uniques personnalisées.
Nous vous présentons les imprimantes 3D disponibles, leur fonctionnement et les différences existant entre les divers modèles. Nous vous donnons en outre des informations importantes sur le sujet et vous prodiguons quelques conseils intéressants, issus de la pratique.
Dans une imprimante informatique classique, de l'encre ou du toner est déposé sur une feuille de papier pour créer un document texte ou une image. Comme l'application est limitée au plan du papier, il suffit par exemple qu'une tête d'impression se déplace de gauche à droite ou que l'application du toner ou de l'encre se fasse par lignes.
Pour imprimer dans un autre sens, le papier est transporté à travers l'imprimante. L'impression finale est donc bidimensionnelle.
Sur une imprimante 3D, l'impression est en trois dimensions. Cela signifie que l'objet imprimé a non seulement une longueur et une largeur, mais aussi une hauteur. C'est pourquoi une imprimante 3D fonctionne avec un axe vertical (axe Z) en plus des deux axes d'impression horizontaux (axe X et axe Y).
Il existe aujourd'hui des solutions techniques très diverses pour imprimer un objet en 3D.
En fabrication soustractive, on enlève de la matière d'une pièce brute par sciage, fraisage, perçage ou meulage. Dans l'impression 3D, en revanche, il s'agit d'une fabrication additive. En effet, de la matière est ajoutée à la pièce non finie.
Avantages de la fabrication additive pour les entreprises par comparaison aux méthodes classiques
- Production plus rapide et moins onéreuse, par exemple en réduisant les coûts de matériau et les erreurs dans le développement de prototypes
- Production juste à temps d'objets 3D, par exemple des pièces de rechange pour les machines
- Impressions fonctionnelles et complexes comme en filigrane pour les pièces, moulages par injection, etc.
- Haute flexibilité dans le processus de production grâce à des changements adhoc et une réalisation rapide des modifications souhaitées
- Construction légère : l'impression 3D permet de réaliser des formes qui ne sont pas du tout ou difficilement réalisables avec les méthodes de fabrication classiques. Les constructions 3D relèvent ainsi de nouveaux défis en termes de poids, de design et de stabilité.
Avantages de la fabrication additive pour les particuliers
- Production des pièces nécessaires en peu de temps
- Personnalisation : Vous en avez assez des produits de masse ? Avec l'imprimante 3D, vous pouvez créer des pièces personnalisées.
- Plaisir de créer et bricoler
Notre conseil pratique : Respecter les droits d'auteur et de marque
En Suisse, le droit d'auteur s'applique également pour l'impression 3D. Cela signifie que tout modèle ne peut pas être modifié, diffusé ou même imprimé à volonté. La réglementation concerne notamment les œuvres d'art ou les produits de marque, pour lesquels s'applique en outre le droit des marques. Avant de vous lancer, il est donc conseillé d'en prendre connaissance.
L'époque où les imprimantes 3D étaient des outils spéciaux et coûteux que seuls des professionnels spécialisés pouvaient utiliser est définitivement révolue. Entre-temps, les appareils ont atteint une certaine maturité technique et ne posent pas trop de problèmes aux personnes qui les utilisent. Mais ce n'est pas tout. Les prix ont heureusement fortement baissé au point qu'on trouve désormais une imprimante 3D dans presque tous les ateliers de loisirs ou de bricolage. Actuellement, les imprimantes 3D se répartissent en trois catégories, dont les limites restent floues.
| Entrée de gamme | Milieu de gamme | Gamme professionnelle | |
|---|---|---|---|
| Fourchette de prix | Jusqu'à CHF 600.- | Entre CHF 600.- et 1'500.- | Plus de CHF 1'500.- |
| But d'utilisation | Impressions occasionnelles | Impressions régulières de pièces | Impression 3D industrielle et petites séries |
| Groupe cible | Elèves et étudiants Bricoleurs |
Fans de technique ambitieux | Entreprises et ateliers |
| Avantages | Appareils abordables Simplicité d'utilisation |
Bonne à très bonne qualité d'impression Mécanique stable de qualité Umfangreiche Features |
Impression professionnelle de qualité industrielle Mécanique précise et durable |
| Inconvénients | Stabilité mécanique faible Respect des dimensions de l'impression Fonctions manquantes |
Prix d'achat élevé Commande et réglage parfois complexes |
Prix d'achat très élevé Un volume d'impression élevé est nécessaire pour l'amortissement |
Mais le prix à lui seul ne garantit pas une impression réussie. La qualité d'impression dépend en effet du calibrage de l'imprimante et des réglages corrects pour le travail d'impression. Et là, il faut absolument de l'expérience, mais celle-ci s'acquiert rapidement lors de l'utilisation de l'appareil.
Quels sont les coûts induits par l'impression 3D ?
Outre les frais d'achat, une imprimante 3D doit également faire face à des frais d'exploitation courants. Ceux-ci dépendent de la fréquence et de la durée de fonctionnement de l'imprimante ainsi que du matériau utilisé.
Electricité
La consommation électrique d'une imprimante 3D varie fortement. Cela est dû au fait que les éléments thermiques, moteurs et ventilateurs ont différentes durées d'activation.
De plus, le filament ABS nécessite des températures bien plus élevées que le PLA. En moyenne, le coût de l'électricité est de quelques centimes par heure. Pour obtenir des valeurs concrètes, il faut effectuer une mesure sur place.
Consommables
Contrairement aux coûts d'électricité, les coûts des filaments nécessaires sont nettement plus élevés. Mais là aussi, les prix sont assez variables.
Mais même si un filament de marque coûte bien plus cher qu'un produit générique bon marché, il faut s'en tenir à la qualité de la marque.
Surtout lorsque l'on a trouvé le réglage d'impression optimal pour le filament et que le résultat obtenu est parfait.
Une imprimante 3D permet de reproduire couche après couche des objets déjà existants ou de les fabriquer soi-même en trois dimensions. L'objet que vous souhaitez imprimer doit donc être disponible sous forme de modèle numérique tridimensionnel. Pour ce faire, vous pouvez télécharger des projets 3D complets sur Internet ou les créer vous-même dans un programme de CAO approprié. Là encore, il existe aujourd'hui de très bons programmes gratuits sur Internet.
Pour que le fichier CAO obtenu devienne un objet réel dans l'imprimante 3D, un logiciel approprié est fourni avec les imprimantes. Celui-ci calcule les trajectoires des outils et les commandes nécessaires pour l'imprimante.
Procédé en espace libre
Le procédé en espace libre est également appelé Fused Deposition Modeling (FDM) ou Fused Filament Fabrication (FFF). Le matériau d'impression, appelé filament, est amené sous forme de fil dans une buse chauffée (extrudeuse).
Procédés à matériaux liquides
En stéréolithographie (SLA), on travaille avec de la résine liquide ou des plastiques liquides qui durcissent sous l'effet de la chaleur ou de la lumière UV. Un laser permet d'irradier ponctuellement le liquide dans le réservoir et de le solidifier ainsi.
Frittage laser sélectif (SLS)
Le matériau de base de ce procédé d'impression est une fine poudre de plastique, de sable de moulage revêtu de plastique, de métal ou de céramique. Cette poudre est déposée en une fine couche sur la plaque d'impression. Un rayon laser fait ensuite fondre la poudre à certains endroits, ce qui la rend solide. La couche de poudre suivante est ensuite appliquée et reliée à la couche sous-jacente par un rayon laser. Une fois terminé, l'objet 3D doit être débarrassé de la poudre qui l'entoure.
Fusion laser sélective (SLM)
La fusion sélective au laser suit le même principe que le frittage sélectif au laser. Toutefois, la fusion laser n'utilise pas de poudre de plastique, de sable ou de céramique. Seule de la poudre métallique est utilisée. Les pièces fabriquées ont une densité spécifique élevée, supérieure à 99%. Ainsi, les composants ont les mêmes propriétés mécaniques que le matériau de base. Il est également possible de fabriquer des composants avec des épaisseurs sélectives, ce qui est nécessaire dans la construction légère pour l'aéronautique et l'aérospatiale ou pour les implants.
Notre conseil pratique : Remarque sur les structures de soutien
Avec les procédés d'impression FDM et SLA, il n'est pas possible d'imprimer "dans le vide" lors de la construction par couches. Si des surplombs doivent être imprimés, des structures de soutien venant du bas doivent être intégrées. Ces structures de soutien sont ensuite retirées de l'objet 3D fini. En revanche, les procédés d'impression SLM et SLA ne nécessitent aucune structure de soutien. La poudre non irradiée par le laser, et donc non adhérente, assure la fonction de support.
Vue d'ensemble des méthodes courantes d'impression 3D
| Méthode d'impression additive | Matériaux adaptés pour l'impression |
|---|---|
| Modélisation polyjet et la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM ou Fused Filament Fabrication, FFF) | Matières thermoplastiques avec ou sans additifs |
| Stéréolithographie (SLA) et Digital Light Processing (DLP) | Résine synthétique fluide |
| Frittage sélectif au laser (SLS) |
Polymères, céramique, métaux |
| Fusion laser sélective (SLM) et fusion par faisceau d'électrons | Métaux |
D'autres procédés d'impression sont le Multi Jet Fusion (MJF), qui consiste à mouiller ponctuellement les couches de poudre de polyamide avec des liquides conducteurs de chaleur et inhibiteurs de chaleur. Sous l'effet d'une lampe UV, les zones contenant le liquide thermoconducteur se solidifient ensuite.
Dans le procédé d'impression sur poudre (3DP), on utilise, comme dans une imprimante à jet d'encre, des liquides colorés qui réagissent avec le liant dans la couche de poudre et solidifient la poudre.
Une imprimante 3D qui fonctionne selon le procédé Polyjet ou selon la modélisation Multi-Jet (MJM) possède une tête d'impression avec de nombreuses petites buses permettant de déposer des matériaux photopolymères avec précision. Le durcissement s'effectue ensuite à l'aide de la lumière UV.
Comparatif des imprimantes FDM et des imprimantes SLA
L'impression FDM et l'impression SLA étant les méthodes d'impression les plus populaires et aussi les plus répandues, nous avons dressé une liste plus détaillée des fonctions et des différences entre les deux types d'imprimantes.
Imprimantes FDM
Le procédé de dépôt de couche fondue utilise différentes matières thermoplastiques (filaments). Les filaments sind les plus courants sont le PLA, l'ABS, le PETG, le nylon, le TPE et les polycarbonates. L'ajout de différents matériaux tels que le carbone, les fibres de verre, les particules métalliques, l'argile ou même le bois permet de conférer à l'objet 3D imprimé les propriétés souhaitées.
Si l'imprimante 3D dispose de deux extrudeuses, il est possible d'imprimer des objets bicolores ou de réaliser la structure de soutien avec un filament soluble dans l'eau. Une fois l'objet imprimé, il suffit de le placer dans un bain d'eau pendant un certain temps afin d'éliminer délicatement la structure de soutien.
La taille maximale d'un objet imprimable dépend de l'espace d'impression. L'espace d'impression dépend à son tour de la possibilité de déplacement latéral et en hauteur de la tête d'impression et du lit d'impression. Si la taille de l'objet fini dépasse le volume de l'espace d'impression, il faut imprimer différents composants partiels et les assembler ou les coller ensuite. Il est ainsi possible de fabriquer sans problème un modèle réduit d'avion télécommandé d'une envergure de plus d'un mètre.
Imprimantes SLA
Une imprimante SLA dispose d'une cuve dans laquelle se trouve de la résine liquide ou des matières plastiques liquides. L'énergie d'un laser est utilisée pour irradier ponctuellement le liquide, ce qui le solidifie. Ici aussi, la construction se fait à nouveau par couches successives.
Pour pouvoir imprimer des objets 3D suffisamment hauts, l'imprimante doit disposer d'un grand réservoir de liquide qui peut contenir une quantité de liquide correspondante. Toutefois, cela n'est nécessaire que si l'unité laser est positionnée au-dessus du réservoir. C'est pourquoi certains fabricants pensent différemment.
La plaque d'impression, sur laquelle l'objet est construit, entre dans le bain d'immersion par le haut et l'exposition au laser se fait par le bas. Après la première couche, la plaque de fond est soulevée vers le haut et la couche suivante est créée. Dans ce cas, l'objet à imprimer est construit de bas en haut, mais suspendu la tête en bas. La hauteur d'impression est ainsi nettement plus importante que la profondeur du bac. Malgré cela, les imprimantes SLA sont plutôt adaptées aux objets 3D plus petits, mais extrêmement détaillés.
Pour faciliter la comparaison, nous avons clairement mis en parallèle les avantages et les inconvénients des deux variantes d'imprimantes FDM et SLA :
Tableau comparatif des imprimantes 3D FDM vs SLA
| Type | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|
| Imprimante FDM | ✓ Economique ✓ Pièces résistantes ✓ Grans espace d'impression ✓ Aucun nettoyage important requis |
✗ Surface à structure striée ✗ Précion de fabrication moyenne ✗ Structures de soutien nécessaires |
| Imprimante SLA | ✓ Surface riche en détails ✓ Haute précision de fabrication ✓ Pièces transparentes possibles |
✗ Seulement pour les matières durcissables aux UV ✗ Processus de fabrication lent ✗ Seulement des objets monochromes ✗ Structures de soutien nécessaires ✗ Nettoyage important requis |
La plupart des utilisateurs qui souhaitent se lancer dans l'impression 3D vont d'abord réfléchir au type d'imprimante qu'ils vont choisir.
Pour les petites impressions finement détaillées, une imprimante SLA est certainement le meilleur choix. Mais s'il s'agit d'imprimer des projets plus importants et que la nature du matériau doit en outre correspondre à l'utilisation prévue, une imprimante FDM est recommandée.
Toutefois, les imprimantes FDM présentent de très grandes variations en termes de modèle, de qualité et de prix. C'est pourquoi nous vous invitons à examiner de plus près les caractéristiques de performance de ces imprimantes :
Espace d'impression
La taille de l'espace d'impression est indiquée en termes d'axes X, Y et Z. En règle générale, elles vont de 100 à 400 millimètres par axe. Il n'est donc pas difficile de fabriquer des objets plus grands ou multiples en un seul processus d'impression.
Lit d'impression
Il existe des variantes chauffées et non chauffées. Si un niveau de qualité élevé est exigé, il vaut mieux opter pour un lit d'impression chauffant. On évite ainsi toute déformation. En effet, des déformations sont fréquentes si les pièces fraîchement imprimées n’ont pas une température homogène sur toute leur surface et se forment ainsi différemment.
Le plateau chauffé permet un refroidissement plus lent du matériau, de sorte que les différences de chaleur ne soient pas trop importantes. Il faut absolument tenir compte du type de filament imprimé afin de régler la bonne chaleur du lit d'impression. Pour le PLA, par exemple, une température de 60 degrés Celsius est suffisante.
Le matériau du lit d'impression a une influence sur l'adhérence et la répartition de la température. Il est recommandé d'utiliser des plaques en verre, en céramique ou en fonte d'aluminium. Pour que le modèle adhère de manière optimale au plateau d'impression pendant l'impression, il convient d'utiliser des films adhésifs, des bandes adhésives ou des sprays adhésifs. Ils peuvent être appliqués sur des lits d'impression chauffés ou non.
Vitesse d'impression
Même si les appareils haut de gamme peuvent imprimer à un débit d'environ 300 millimètres par seconde mais une telle rapidité d’exécution est souvent au détriment de la qualité. Avec le bon filament, comme par exemple le PLA rapide, ils offrent des résultats d’excellente qualité à des vitesses élevées. De plus, cela permet de réduire la durée d'impression. Les imprimantes 3D pour débutants sont, par contre, nettement plus lentes avec un débit de 60 mm/s.
Hauteur de la couche d'impression
L'épaisseur du matériau d'impression appliqué est variable. Plus une couche d’impression est fine, plus le modèle sera fin et précis à la fin du processus. De plus, les rainures entre les différentes couches d’impression sont moins visibles. Cette propriété fait entre autres la différence entre les imprimantes 3D à prix abordable et les imprimantes 3D haut de gamme. Cependant, la diminution de la hauteur de la couche d'impression augmente le temps nécessaire pour une impression.
Hot-End et extrudeuse
L'extrudeuse est la pièce maîtresse d'une imprimante 3D : L'extrudeur et une buse à chaud (hot-end) qui font fondre le filament, le façonnent et construisent l'objet. Les imprimantes 3D possèdent un ou deux extrudeurs.
Un appareil doté de deux extrudeuses (à double extrusion) est particulièrement recommandé pour un usage professionnel. Grâce à l'impression de structures de soutien, par exemple à partir de PVA soluble dans l'eau, vous pourrez obtenir les meilleurs résultats d'impression. Les structures de soutien en filigrane sont faciles à enlever. Il est également possible de travailler différents matériaux tels que des matériaux souples ou durs mais aussi avec plusieurs couleurs sur un même modèle.
Filament
Les critères importants pour les filaments sont le degré de dureté, la flexibilité et la résistance à la température. Le matériau d'impression pour le procédé FDM traditionnel se compose en général de filaments PLA ou de filaments ABS.
Le PLA est un plastique naturel biodégradable. Il est résistant aux UV et facile à travailler. Par ailleurs, il adhère le mieux pendant l'impression à une plaque de verre ou un miroir, monté(e) sur la plaque d'impression. Une plaque chauffante n'est pas nécessaire.
En outre, il existe des filaments en PLA avec des particules de bois, de bronze, de laiton ou de cuivre. Ces éléments ressemblent à s'y méprendre à l’original tant sur l’aspect final qu’au toucher. Des filaments transparents ou brillant dans le noir sont également disponibles.
Toutefois, le PLA se déforme dès 60 ° C. Cela ne convient donc pas pour des objets tels que des tasses qui sont exposées à la chaleur dans le cadre de leur utilisation ou sont en contact de liquides chauds.
Le plastique ABS est issu du pétrole, est résistant aux chocs et moins sensible à la chaleur que le PLA. Il peut donc subir un post-traitement comme le polissage ou le ponçage. Toutefois, il est plus difficile à travailler et nécessite un lit d'impression chauffé.
De plus, presque tous les plastiques sont aujourd'hui disponibles pour les imprimantes 3D, qu'il s'agisse de polycarbonate très résistant ou de nylon résistant à l'abrasion. Le choix du filament permet d'adapter parfaitement les propriétés de l'objet imprimé à l'utilisation prévue. Cependant, trouver les paramètres d'impression optimaux pour chaque filament prend toujours un peu de temps.
Comment l'imprimante reçoit-elle les données ?
Dans la pratique, il s'est avéré utile de copier les fichiers de l'imprimante sur une carte SD et d'insérer ensuite la carte dans le slot de l'imprimante. À condition que l'imprimante offre cette possibilité. Si l'imprimante est simplement reliée à l'ordinateur par un câble d'interface, l'ordinateur doit fonctionner jusqu'à ce que l'imprimante ait terminé l'impression.
Quel logiciel est nécessaire pour une imprimante 3D ?
Outre le logiciel interne (firmware) utilisé dans l'imprimante, un logiciel d'impression doit être installé sur l'ordinateur. Un logiciel courant pour les imprimantes 3D est par exemple Repetier Host. Dans ce logiciel est intégré un slicer qui transforme le fichier de construction en un format compréhensible pour l'imprimante. Ceux qui souhaitent créer eux-mêmes les objets pour l'impression 3D ont encore besoin d'un logiciel de CAO. Ils sont en téléchargement gratuit sur Internet.
Les imprimantes bon marché offrent-elles un plus mauvais résultat 3D ?
Il n'est pas facile de répondre à cette question, car le prix ne reflète que dans une certaine mesure la qualité du produit. Mais en principe, on peut dire que pour obtenir une bonne qualité d'impression, il faut une grande précision. Pour obtenir cette précision 3D, il faut des composants de haute qualité et une structure stable de la machine 3D.
Quel avantage offrent les imprimante à double extrudeuse ?
Les imprimantes 3D équipées d'une double extrudeuse permettent d'utiliser différents filaments dans un même projet d'impression 3D. Il peut s'agir de deux filaments PLA de couleurs différentes ou d'un filament résistant à l'eau et d'un filament soluble dans l'eau pour les structures de support. Toutefois, le réglage d'une imprimante 3D à double extrudeuse est nettement plus complexe et ne convient pas vraiment aux débutants.
Qu'est-ce que le prototypage rapide ?
Littéralement, le prototypage rapide signifie la construction rapide de modèles. Contrairement à la fabrication conventionnelle, qui est assez coûteuse pour les pièces uniques, le procédé de fabrication additive (Additive Manufacturing) permet, avec un peu de savoir-faire, de créer très rapidement des prototypes de très haute qualité.