Comment fonctionnent les imprimantes 3D ?

L’impression 3D désigne un ensemble de techniques, dites de fabrication additive, qui ont vue le jour dans le milieu des années 1980. pour répondre aux besoins de prototypage de certaines niches industrielles. Depuis, les acteurs s’intéressant à l’impression 3D se multiplient jusqu’à toucher l’utilisateur particulier dont les performances et le prix en font un outil abordable. Par voie de fait, les applications autour des imprimantes 3D se multiplient et architecte, bijoutiers, artistiques et scientifiques se sont aujourd’hui utilisateur de technologies 3D.

Le marché mondial de l’impression 3D représenterait deux milliards d’euros et le nombre d’imprimante 3D a plus que triplé entre 2008 et 2011. Ainsi près de 60000 modèles ont été acquis par des particuliers en 2013 !
L’imprimante 3D devient un périphérique à part entière, au même titre qu’une imprimante classique ou un scanner.

Comment fonctionne une imprimante 3D ?

L’impression 3D s’appuie sur des techniques de fabrication dites addictive. L’objet visé est créé par ajout de matière, couche par couche. Contraire aux méthodes classiques de fabrication qui procèdent par retrait progressif ou déformation de matière (fraisage, découpe, pliage).
Les imprimantes 3D utilisent du plastique ou du métal comme matière de base. La matière est déposée par l’intermédiaire d’une tête d’impression sur un plateau horizontal. A chaque balayage, la tête d’impression dépose de la matière (un filament fondu) conformément à une forme programmée. Les des avantages de l’impression est de pouvoir fabriquer des objets sans gaspiller de matière puisque seule la matière nécessaire pour former l’objet est utilisée. Certains modèles utilisent la stéreolithographie et un laser pour solidifier la matière et d’autres la lumière.
Ces techniques offrent des résolutions pouvant atteindre quelques dizaines de micromètres et permettent la réalisation de prototypes de grande qualité.
Les imprimantes stéréolithographiques offrent un rendu beaucoup plus précis que les imprimantes à dépôt de filament fondu, mais elles sont aussi plus coûteuses à l’achat comme en matières premières.

Cette technologie s’est beaucoup répandue en grande partie grâce au mouvement du « matériel libre » également appelé « open hardware ».  Aujourd’hui une vaste communauté internationale de passionnés s’est rapidement rassemblée autour du projet RepRap.  Des nombreux particuliers se réunissent dans des endroits spécialisés tels que les « hackerspaces » pour apprendre et créer ensemble leurs propres imprimantes 3D.

Les modèles d’imprimantes 3D

Il existe plusieurs types d’imprimantes 3D , ayant chacune des avantages et des inconvénients que je vais décrire plus amplement. La RepRap, l’une des premières imprimantes 3D du libre, donna naissance à la MakerBot Cupcake,  un modèle commerciale basé sur la même technologie le dépôt de plastique par couche.
Dans le domaine de la recherche pharmaceutique, des chercheurs de la société californienne Organovo ont mis au point des imprimantes 3D capables d’imprimer des cellules vivantes. Cette méthode a permis de constituer des tissus humains utilisés pour la recherche. Les cellules sont déposées sur un gel imprimé par une seringue qui se déplace horizontalement. L’un des objectifs que se fixent les chercheurs est la réalisation d’os, de cartilage et même d’organe pouvant être transplantés.
Dans un tout autre domaine, le même principe du dépôt par seringue a été utilisé pour le dépôt de matière alimentaire. C’est ainsi qu’est née une imprimante 3D pouvant fonctionnant avec du chocolat !

Les imprimantes 3D fonctionnant par stéréolithographie (ou DLP)

De la matière est déposée sous forme liquide et solidifiée par Faction d’un rayon lumineux. La stéréolithographie est la technique la plus ancienne; c’est aussi la plus précise.

Les imprimantes 3D fonctionnant par photopolymérisation

Ce procédé consiste à utiliser un faisceau laser pour échauffer localement de la poudre et ainsi faire fusionner des particules  couche après couche. On utilise ce procédé dans les cabinets d’architecture pour la construction de maquettes, par les artistes et les designers pour la création de sculptures complexes, ou par le secteur de la mode pour la réalisation de pièces sur mesure (chapeaux, mailles).

Les imprimantes à frittage

Les imprimantes à frittage par laser sont de grande taille et coûtent plusieurs centaines de milliers d’euros. Elles équipent principalement les services de recherche et développement de grandes entreprises et certains sites de production. Il est cependant possible d’y avoir accès grâce aux services d’impression 3Den ligne qui s’adressent à la fois aux particuliers et aux professionnels.
Ces modèles d’imprimante 3D permettent d’imprimer avec des métaux comme l’or, argent, titane, cobalt-chrome, acier inoxydable…  mais le matériau le plus courant est le polyamide.
La société suédoise Arcarn a mise au point un modèle faisant appel à un faisceau d’électrons pour fusionner la poudre dans une chambre à vide.