Guide de l'impression 3D

Charly Le Roy

Sommaire

Pourquoi choisir l’impression 3D ?
Les technologies d’impression 3D
Historique de l’impression 3D
Les avantages de l’impression 3D
Applications de l’impression 3D
Le processus de fabrication

avril 1, 2021
11:04
Découverte, imprimantes 3D, Guides, Avancé, Expert

Pourquoi choisir l'impression 3D ?

Retrouvez dans ce guide de l’impression 3D toutes les notions essentielles vous permettant de mieux comprendre et cerner la place de l’impression 3D dans ses différents univers.

L’impression 3D est une technique de fabrication utilisant un procédé de création additif par couche. La production de certaines pièces en impression 3D est très avantageuses par rapport aux méthodes de productions habituelles.

Impression 3D vs Les méthodes traditionnelles

L’impression 3D ou plus généralement la fabrication additive se différencie des méthodes de fabrication conventionnelles que sont l’usinage soustractif (où l’on part d’un bloc de matière que l’on vient usiner en retirant la matière pour créer l’objet souhaité) et l’injection qui utilise un moule pour y injecter la matière qui en ressort donc moulé. Ici, on utilisera une source de matière qui viendra successivement alimenter la fabrication de l’objet.

Pas de pertes mais une optimisation

Les imprimantes 3D permettent en effet une utilisation optimale de la matière première, on utilise ce qui est nécessaire sans devoir sacrifier un bloc ou une plaque pour y prélever la forme souhaitée.

L’impression 3D accompagne cette efficacité de la possibilité de penser différemment ses objets de manière encore une fois à utiliser la matière uniquement là où elle est vraiment utile. Une conception optimisée qui ne connaîtra pas les limites techniques du passage d’outils pour de l’usinage ou des limites du moulage par injection.

Moins de matière première utilisée, une fabrication optimisée, plus légère et parfois même plus performante.

Pièces complexes

La réalisation de pièces aux géométries complexes a toujours été un challenge pour les technologies d’usinage. L’utilisation de plusieurs machines CNC est généralement nécessaire pour réaliser les différentes actions permettant de modeler un objet en 3 dimensions.

Et malgré cela, certaines formes sont impossibles à produire. Le moulage quant à lui connaît également ses limites pour ce qu’il en est de pièces complexes. Démoulage, contre dépouilles, refroidissement… Ce sont des contraintes qui n’existent pas en impression 3D.

La force de l’impression 3D réside donc aussi dans cette facilité à la fabrication de pièces complexes, innovantes, autrement impossible à produire.

Efficacité générale de l'impression 3D

Que ce soit du côté économique ou stratégique, l’impression 3D ouvre des possibilités assez impressionnantes pour gagner en efficacité à de nombreux niveaux.

Rapidité, un projet peut être pensé, prototypé et testé en quelques heures, en interne et à moindre coût. Réactivité, un nouvel outil peut être développé immédiatement pour chaque nouveau besoin.

Économies, investir dans une imprimante 3D est généralement une opération rentable en quelques semaines. Internaliser vos besoins de prototypage, vos fabrications d’outils, vos designs va grandement s’alléger de nombreux postes de dépenses. Proposer de nouveaux services et produits, ou des délais réduits va rapidement être un argument stratégique décisif.

Les principales technologies d'impression 3D

Différentes technologies d’impression 3D qui ont toutes le même but, créer un objet en 3 dimensions en le fabricant couche après couche. Utilisant du plastique ou des résines, le processus de fabrication reste assez similaire selon la technologie utilisée. Le principe étant de découper le modèle en tranche afin de programmer l’imprimante pour la réalisation de ces différentes strates.

FDM ou FFF

Imprimantes 3D FDM (Fused Deposition Modeling) ou FFF (Fused Filament Fabrication) correspond à la technologie d’impression 3D la plus concrète.

Ici on utilise une imprimante 3D possédant un plateau de fabrication ainsi qu’une tête d’impression.

Le filament plastique va être fondu puis déposé sur le plateau de fabrication couche après couche.

L’image d’un pistolet à colle, autonome, extrêmement patient et précis qui utilise du plastique est plutôt réaliste.

SLA, DLP, LCD/MSLA

SLA (Stéréolithographie Apparatus) évoque ici la fabrication d’objet en utilisant la lumière pour durcir un matériau réactif.

Plus largement décrites comme imprimante 3D résine, les technologies résines utilisent une résine liquide qui va réagir à la présence d’une source lumineuse en durcissant. Principe similaire au produit réactif bi composant ou ici c’est le rayon UV qui joue le rôle d’activateur, de durcisseur.

La fabrication couche par couche sera ensuite produite par le positionnement du plateau de fabrication qui viendra progressivement se relever afin de pouvoir coller les couches les unes sous les autres.

SLS

SLS (Selective Laser Sintering), cette technologie combine un peu les deux précédentes dans le sens où on utilise une matière plastique (sous forme de poudre) qui viendra être fondue puis agglomérée par un laser.

De manière simplifiée, ici le laser viendra balayer un bac de poudre afin de ne durcir couche par couche que les zones à fusionner.

Le bac de poudre jouera ici le rôle de volume de fabrication, et un mécanisme viendra ajouter une fine couche de poudre à chaque nouvelle descente (couche) de ce bac de fabrication.

L'histoire de l'impression 3D

Les technologies de fabrication additive ne sont pas aussi récentes qu’on l’imagine. En effet, les premières imprimantes 3D ont été développées au début des années 80. Et il est étonnant de constater qu’il est français, en 1984, des ingénieurs et chercheurs passionnés développent une technologie leur permettant de fabriquer des objets fractals impossibles à usiner de manière conventionnelle.

L’idée d’une imprimante 3D à résine photo polymérisable était née. Le manque de moyen et d’ambition du côté français n’a pas permis de davantage pousser la démarche et c’est finalement, 3 semaines plus tard que le futur fondateur de 3D System déposait lui aussi un brevet similaire. La technologie de fabrication 3D à base de résine est donc la première à avoir vu le jour, il faudra attendre 1992 pour voir apparaître le premier brevet “FDM” du fabricant Stratasys. 20 ans plus tard, cette technologie est démocratisée et désormais accessibles pour tous.

1984 - SLA

Brevets pour la technologie Stéréolithographie (SLA) déposés en France (mais abandonné) et aux Etats-Unis par 3D Systems

L’idée de la fabrication additive par couche voit le jour.

1987 - SLS

Brevet déposé pour une technologie de fabrication additive type SLS Selective Laser Sintering déposés par DTM Corp.

(Racheté en 2001 par 3D System)

1988 - FDM

Brevet déposé par Stratasys sur une fabrication issue de plastique fondu extrudé par une buse.

Les fondements de la technologie FDM et FFF.

2005 - Reprap

Les imprimantes 3D se démocratisent et prennent le nom de fabrication RepRap pour réplication rapide.

Les imprimantes FDM deviennent accessibles aux bricoleurs qui conçoivent eux-mêmes leurs imprimantes.

2012 - 3D de bureau

Les premières imprimantes 3D de bureau entrent en commercialisation.

Ultimaker et Makerbot sont initiés avec un modèle en kit à assembler sois même.

2018 - 3D personnel

Démocratisation des imprimantes de bureau professionnel et personnel. Les nouvelles technologies, les volumes et l’arrivée des imprimantes chinoises rendent accessibles a tous les technologies d’impression 3D.

Les avantages et limites de l’impression 3D

L’impression 3D comme méthode de fabrication propose de nombreuses opportunités et comme toutes technologies, elle a aussi ses limites. La révolution de l’impression 3D réside véritablement dans sa capacité à offrir pour tous, la maîtrise de la production de pièces plastiques complexes unitaires ou en petites séries.

En effet, l’industrie plastique maîtrise parfaitement les productions en grandes séries mais est beaucoup moins performante pour ce qu’il en est des plus petites séries ou des pièces unitaires. La personnalisation ou la réédition sont également des processus complexes voir impossibles à mettre en œuvre à ces échelles. Les techniques de fabrications actuelles fonctionnent, si, elles ont accès à des volumes importants permettant la création d’économies d’échelle nécessaires au vu du prix d’acquisition de ces solutions de fabrications. C’est sur ces faiblesses que l’impression 3D apporte une solution.

Rapide et économique

Créer en quelques heures et à moindre coût un prototype, un design, une maquette, un outil ou une pièce détachée est un atout fort pour les bureaux d’études, de design, les écoles ou les ateliers méthodes et maintenance.

Les avantages de l’impression 3D sont nombreux, on pourra mettre en avant donc le côté rapidité de fabrication, mais aussi le faible coût par rapport aux anciennes méthodes mais un tout autre univers s’ouvre également.

Optimisations

Produire avec une technologie additive ouvre la voie à des conceptions innovantes, améliorées, optimisées.

La force de l’impression réside aussi dans la possibilité de réaliser des designs et des concepts encore non envisagés car techniquement limités.

Alléger, renforcer, personnaliser, minimiser les assemblages sont désormais des opérations faciles à imaginer, concevoir puis concrétiser.

Itérations multiples

Essayer, se tromper, n’est plus un problème.

Les faibles coûts de fabrication et la rapidité des résultats rendent beaucoup plus réactives et fructueuses les phases de recherches et développements produits. Fabriquer un moule d’injection est long et coûteux, il ne vaut mieux pas se tromper, l’impression 3D permet le droit à l’erreur.

Proposer, tester, puis valider son objet physiquement avant de lancer la fabrication du moule est une aide précieuse lors de ces phases décisives.

Time to market réduit

Les délais sont réduits au minimum, plus de délais de livraison, de planning du fournisseur, vous avez en interne l’outil vous permettant la création autonome de votre projet.

Dans la journée vous êtes capables de dépanner une pièce usée sur une de vos machines de production, de fabriquer un prototype évoqué le jour même, ou bien de créer l’outil d’un nouveau technicien, le préhenseur du robot, le gabarit et les accessoires de votre nouvelle ligne de production.

Internalisation et confidentialité

La confidentialité liée à l’internalisation de ces étapes de recherches et développement est généralement cruciale dans un secteur concurrentiel, il est donc primordial de vous protéger de toutes fuites en travaillant chez vous sur ces projets sensibles et en évitant de faire appel à des sous-traitants ou fournisseurs.

Outils de fabrication

L’impression 3D n’est pas une technologie de fabrication adaptée à la production en grande série. Les aspects parfois inégaux selon les qualités choisies et matériaux utilisés ne sont pas toujours adaptés à une commercialisation directe.

On utilise davantage d’impression 3D pour ses atouts dans les phases de recherches, développement, outillage, industrialisation puis gestion des pièces détachées.

Apport de l'impression 3D dans le cycle de vie d'un produit

Les applications de l'impression 3D

Les technologies d’impression 3D ont peu à peu trouvé leurs places dans de nombreux domaines d’activité et à divers niveaux dans la chaîne de valeur d’une entreprise.

Au départ cantonné au prototypage rapide pour les professionnels, l’utilisation de l‘impression 3D s’est rapidement élargie à de nombreux autres domaines. Professionnels et particuliers ont désormais accès à des imprimantes 3D.

Nombreuses sont les applications ou l’impression 3D apporte une réelle valeur ajoutée et un véritable atout stratégique.

Prototypes, outillages, guides, gabarits font partie des applications à plus haute valeur ajoutée pour une entreprise.

Maquettes, designs, modèles réduits, signalétique pour les architectes, urbanistes, designer, ou agence de communication et marketing…

Matériel pédagogique, support physique, pièces détachées, objet de la maison, pour les écoles et fablabs.

Mais aussi des figurines, des jouets, des objets de tous les jours ou pour des besoins réparations courantes pour une utilisation en tant que particulier…

Point de vue technique et domaines d'applications

Pour vous guider encore davantage dans le choix de votre imprimante 3D, il est important de mentionner le niveau de connaissances ou de technique nécessaire à sa bonne utilisation.

Connaître les thermoplastiques et leurs propriétés est un grand avantage lorsque l’on utilise une imprimante 3D à filament. Les autres notions seront plutôt nouvelles, il en sera de même pour les autres technologies de fabrication additive.

Manipulant le GCode comme les autres machines CN, les utilisateurs de ce genre d’équipement auront déjà la logique propre à la programmation d’outils. Il faudra néanmoins revoir les bases de la logique additive. Le niveau de technique nécessaire peut être important si l’on souhaite immédiatement affronter les matériaux les plus techniques ou les projets les plus complexes et précis. Une phase d’apprentissage est recommandée tout comme le sera la formation.

En effet, c’est dans tous les cas, un nouvel outil, qui nécessite de nouvelles connaissances si l’on souhaite en tirer le meilleur. Utiliser une imprimante 3D est simple, mais être capable d’optimiser son utilisation l’est moins.

Globalement, les imprimantes FDM auront l’avantage d’être plus visuelles et logiques. C’est en général un bon premier pas dans la technologie.
Pour autant la technique est différente et nécessitera là aussi un temps d’adaptation.

Les imprimantes 3D sont présentes à tous les niveaux, dans tous les domaines, certains secteurs ont davantage intérêt à utiliser une technologie plutôt qu’une autre.

Le processus de fabrication

Le fonctionnement d’une imprimante 3D peu importe sa technologie est toujours plus ou moins le même. Afin d’envisager la fabrication d’un objet impression 3D, il est nécessaire de disposer d’un modèle 3D exploitable, de le transformer en un programme compréhensible par la machine, puis de préparer son imprimante de manière à pouvoir produire la demande.

Acquisition des modèles 3D : STL

Le fichier 3D au format STL qui est utilisé pour la programmation est donc primordial, il faudra avant toute autre préoccupation savoir comment générer le modèle 3D correspondant à son besoin.

En utilisant des logiciels de conception 3D, type Fusion360, Solidworks, Rhino ou tout autre logiciel de modélisation, vous serez facilement en mesure de créer sur mesure votre modèle 3D. Si la conception ne fait pas partie de vos compétences propres ou internes, il est toujours possible de faire appel à des prestataires spécialisés dans la CAO pour la réalisation de projet sur mesure.

Autres possibilités, faire avec ce qui existe déjà. En effet de nombreuses plateformes telles que Thingiverse, Cults3D ou Youmagine se sont développées en ligne, ceux-ci mettent à disposition une bibliothèque de modèle 3D disponible en téléchargement. Grâce à une forte communauté, des milliers de modèles 3D sont déjà accessibles gratuitement et pour certains ils pourront être vendus.

La dernière technique permettant la récupération de ce modèle 3D au format adapté est l’utilisation d’un scanner 3D. Celui-ci permet de reproduire numériquement en 3D un objet existant. Il faut donc dans ce dernier cas disposer de l’objet pour pouvoir le reproduire.

Créer soi-même, trouver en ligne, faire appel à un dessinateur, scanner : ces diverses méthodes permettent d’acquérir le modèle 3D nécessaire.

Programme G-code / Slice

Une fois ce modèle 3D au format STL acquis, il faut convertir ce fichier 3D dans un langage compréhensible par l’imprimante. Ce langage machine est du g-code et il contient toutes les données nécessaires pour commander la machine.

Cette conversion se fait à l’aide d’un slicer, un logiciel de découpe, qui va découper votre modèle en tranche et programmer couche par couche les différents mouvements de la machine permettant la fabrication. C’est ce programme qui contiendra donc toutes les commandes de déplacements, de températures, votre imprimante ne fera donc que lire ce programme et le suivre.

Il existe de nombreux slicers et en général chaque imprimante propose une version adaptée, mais de manière générale, les plus répandues seront Cura, Simplify 3D, Ideamaker ou PrusaSlicer… pour les imprimantes 3D FDM.

Les imprimantes 3D résine ou poudre auront quant à elles généralement un logiciel propriétaire sauf pour les versions hobbyistes où on retrouvera un logiciel comme Preform ou Chitubox qui s’adapte à votre matériel d’impression 3D.

L’impression 3D

L’imprimante 3D est finalement l’outil permettant l’exécution du programme Gcode.

Selon la technologie d’impression utilisée, le processus est assez proche. Il faut dans un premier temps charger l’imprimante avec le matériau que l’on souhaite utiliser (en adéquation avec le programme), positionner le plateau de fabrication puis lancer le programme.

L’utilisation à proprement parler de l’imprimante 3D est généralement secondaire. En quelques secondes, le programme g-code est transféré, décrypté et le lancement est fait.

L’imprimante va gérer de manière autonome sa mise en chauffe, puis sa fabrication. Il ne vous restera plus qu’à venir récupérer votre objet une fois celui-ci terminé. Dans certains cas et selon la technologie, il sera nécessaire de procéder au nettoyage de votre objet, dégraissage à l’alcool, dépoussiérage ou simple retrait des supports d’impression.

Le marché de l’impression 3D

Un marché en pleine expansion, valorisé en 2020 à près de 14 milliards d’euros, les prévisions montent sur une valorisation à près de 36 milliards en 2027. Une croissance à deux chiffres alimentée par un taux d’équipement encore relativement faible. Le marché Européen se positionne à la seconde place devancé par l’Amérique du nord qui représente 35% du marché.

15 millions d’imprimantes 3D seraient vendues chaque année, et ce chiffre devrait monter à 8 millions en 2027.

En France, on estime à 40% le taux d’équipement, en sachant que la place de l’impression 3D est croissante et que cette valeur ne prend pas en compte tout le potentiel de cette technologie.

Le marché de l’impression 3D est majoritairement détenu par la fabrication plastique, néanmoins, le métal et la céramique devraient rapidement augmenter leur visibilité.

Des milliers d’imprimantes 3D sont vendues chaque année en France, on estime à ce jour le marché Français à environ 25 000 imprimantes 3D professionnels.

La part du hardware reste majoritaire mais celle du consommable est grandissante.

Budget et coût de fonctionnement

Le budget est un facteur déterminant dans sa sélection de la bonne technologie d’impression 3D. Il est important de noter que l’achat initial est relativement faible. Les imprimantes 3D FDM ou SLA évoquées dans ce guide proposent des prix assez similaires et existent sous plusieurs catégories, des versions hobbyistes, semi-professionnelles et professionnelles. Les imprimantes SLS ou poudres ne disposeront pas vraiment de ces déclinaisons.

L'acquisition du matériel

Les imprimantes résines à moins de 1000 € sont également récemment devenues particulièrement performantes et accessibles. Encore une fois ici, peu de capteur ou d’assistance, ces imprimantes vont à l’essentiel et le prix varie selon le volume et la puissance.

Le prix d’achat d’une imprimante 3D est désormais étonnamment accessible. Vous trouverez des modèles d’imprimante 3D FDM ou résine à moins de 200 €. Ces versions low-cost contiennent le minimum nécessaire au fonctionnement de l’outil, pas de capteurs, peu ou pas d’assistance aux réglages, une ergonomie générale simple mais efficace si l’on maîtrise sa machine.
Pour les versions FDM (Creality par exemple), ces imprimantes sont DIY, à assembler soi-même. En quelques minutes (1 ou 2h maximum) et sans difficultés celles-ci seront vite montées.

Ces mêmes imprimantes 3D FDM sont généralement disponibles en version upgradée (équipés de capteurs ou autres options) ou de plus grand formats ce qui explique la gamme intermédiaire d’imprimante allant jusqu’à 1000 €.

Les différences de prix

Les imprimantes à plus haut budget, entre 1500 et 5000 € sont elles pré assemblées, plus autonome, sécurisée et fiable sur la durée. La répétabilité et le confort d’utilisation sont le grands différenciants de ces modèles d’imprimante professionnelle ou semi-professionnelle.
Plus performantes et puissantes, elles offrent généralement une plus large gamme de matériaux disponibles ou pour les machines à dépôt de fil, la fabrication en bi matière grâce à la double extrusion.

Le principal point de comparaison doit plutôt se faire sur le coût de fonctionnement étant donné que chaque technologie (sauf le SLS) proposent des gammes aux prix similaires.

Les coûts liés au fonctionnement

L’utilisation d’imprimante à filament peut finalement se résumer à la consommation de ce même filament. Indépendamment de la consommation électrique plutôt faible et du coup de l’opérateur limité à quelques minutes de préparation, le seul consommable véritable est le filament. Ainsi à 30 € le kg en moyenne, le coût de fabrication d’une pièce (généralement plus légère que la version originale) est dérisoire. Comptez quelques centimes pour un petit objet et quelques euros pour un format plus standard.

Les autres technologies vont être plus onéreuses sur ce point. De manière générale, les résines sont proposées à des prix supérieurs, allant globalement de 50€ à plus de 200€ le litre. Non seulement le consommable est plus cher mais sa consommation est plus importante, l’objet est dense à 100% (par défaut) et les supports sont assez nombreux.

Principe un peu similaire pour les imprimantes SLS ou le coût de la poudre est supérieur mais là aussi, on ne peut pas réutiliser la totalité de la poudre utilisée mais non consommée.

Le post-traitement nécessaire à ces deux dernières technologies ajoute également un coût supplémentaire d’acquisition et de fonctionnement parfois non négligeable (alcool, filtres, etc.).

Retour sur investissement (ROI)

Un retour sur investissement extrêmement rapide. L’acquisition d’une imprimante 3D est rapidement un achat qui est rentable, le faible investissement initial ainsi que les faibles coûts de fonctionnement aident à un amortissement ultra rapide de ce matériel. En effet, en mettant en parallèle les gains financiers immédiats (coût de l’impression 3D vs coût de la prestation du fournisseur ou fabrication par méthode traditionnelle) et les gains secondaires (image, réactivité, confort, innovation), il n’est pas rare de constater un calcul ROI assez étonnant de quelques jours voir semaines.

Pour exemple, un prototype réalisé en usinage peut rapidement être facturé plusieurs centaines voir milliers d’euros. Prenons l’exemple d’un outil sur mesure en usinage plastique qui coûterait 300 € pièce (matière et main-d’œuvre), l’équivalent en impression 3D coûtera environ 3€ de matière, quelques minutes de programmation et quelques heures d’immobilisations de votre imprimante 3D.

Un développement accéléré et une mise sur le marché plus rapide. Un time-to-market réduit, fort facteur de réussite sur un marché concurrentiel qui est largement favorisé grâce aux apports de la fabrication additive. Les phases de développement produit vont gagner de quelques semaines à quelques mois grâce à la réduction des délais de prototypage et d’industrialisation.

Le mot de la fin

Ce guide de l’impression 3D est une vue globale mettant en parallèle le monde de l’impression 3D et son environnement. La fabrication additive de manière plus large bénéficie fortement de la démocratisation de cette technologie de fabrication rapide, pratique, simple et accessible.

Ce guide est évolutif et va évidemment suivre les tendances de ce secteur en pleine croissance.