Fabrication additive : définition, procédé, avantages et applications
Par Prodways Group
Publié le 06/06/2024
10 min
Histoire
Qu’est-ce que la fabrication additive ?
La fabrication additive, ou impression 3D, est rapidement devenue une révolution technologique dans le domaine de la production industrielle. Cette technologie consiste à superposer des couches successives de matières pour créer des objets tridimensionnels (en 3D) à partir de données numériques. La fabrication additive offre ainsi des possibilités de conception et de personnalisation accrues ce qui permet davantage de liberté dans la création.
L’évolution de la fabrication additive
Bien que récente dans son application industrielle, la fabrication additive trouve ses origines dans les années 80 au Japon avec les expérimentations du Docteur Hideo Kodama, qui ont ouvert la voie à la Stéréolithographie. Au fil des décennies, la fabrication additive a progressé de manière significative, passant d’une simple curiosité technologique à une méthode de production à part entière.
Fonctionnement de la fabrication additive
Pour comprendre le fonctionnement de la fabrication additive, il est essentiel de reconnaître que le processus de fabrication s’articule autour de plusieurs étapes clés, allant de la conception à la post-production, chacune présentant des spécificités et des exigences.
Le processus de fabrication additive
La fabrication additive se déroule donc en cinq phases distinctes suivant un processus méthodique :
La création d’un modèle 3D dans un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). La phase de conception est cruciale, elle requiert une réflexion spécifique autour des capacités et des limites de l’impression 3D. Elle exige des concepteurs qu’ils pensent non seulement à l’esthétique de l’objet, mais aussi à sa fonctionnalité, sa résistance et son intégrité structurelle.
Le modèle 3D est ensuite découpé numériquement en de multiples couches horizontales, un processus connu sous le nom de « tranchage », qui génère un fichier contenant les instructions précises pour l’imprimante 3D. Le modèle est habituellement transformé en fichier STL.
Puis démarre le transfert de ces données numériques vers l’imprimante 3D. Les paramètres tels que la température, la vitesse d’impression et le mouvement des axes sont ajustés pour correspondre aux spécifications du fichier de configuration.
Dès que la machine est prête, la phase de production commence. Avec une précision accrue, la machine dépose ou solidifie le matériau, couche par couches, en suivant les trajectoires définies par le fichier STL. À chaque couche, la matière est ajoutée ou durcie avec une précision extrême pour correspondre exactement au modèle numérique. C’est grâce à cette accumulation minutieuse que l’objet prend progressivement volume et structure.
Lorsque l’impression est achevée, lepost-traitement /usinage démarre. Une fois que l’objet a refroidi et atteint un état de stabilité, il peut être extrait de la machine avec soin. Cette opération demande souvent des outils spécifiques et un savoir-faire technique, surtout pour les pièces complexes ou celles réalisées avec des matériaux délicats. À ce stade, l’objet peut encore nécessiter des traitements post-impression, tels que le polissage, la peinture ou l’assemblage avec d’autres composants, pour atteindre sa forme et fonction définitives.
Les différents procédés d’impression 3D
Aujourd’hui on dispose de multiples technologies de fabrication additive. La diversité des procédés d’impression 3D ouvre un large choix de possibilités quant aux matériaux utilisables et aux applications envisageables. Chaque technique présente des atouts et des contraintes qui influencent le choix du processus en fonction du projet.
La photopolymérisation en cuve
Date de création : 1984
La photopolymérisation en cuve consiste à utiliser une résine placée dans un réservoir, ainsi qu’une source de lumière pour solidifier cette résine. Ce procédé englobe plusieurs techniques dont la Stéréolithographie (SLA), le Digital Light Processing (DLP), le MSLA.
C’est le deuxième procédé le plus répandu, demeurant relativement abordable, et le seul, avec l’extrusion, à être utilisé en bureau. L’utilisation de la lumière sur toute la surface garantit un excellent niveau de précision, une surface lisse et des tolérances serrées sans nécessiter de post-traitement, en plus de réduire le temps d’impression. Cependant, la matière première est hautement toxique et la taille des objets produits est assez limitée. De plus, des opérations de post-traitement sont nécessaires pour éviter la dégradation de la pièce.
La stéréolithographie utilise un laser UV pour polymériser une résine liquide photosensible couche par couche. Cette technique est réputée pour sa précision élevée et sa capacité à produire des pièces aux surfaces lisses et détaillées. Puis Le stéréolithographie (SLA) a donné naissance à de nouvelles technologies dont le DLP et le MSLA qui optimisent l’utilisation de la lumière pour solidifier la résine.
Ainsi, le DLP emploie un projecteur de lumière sur la surface de la résine, modulée par un ensemble de miroirs microscopiques. Cette approche permet à la plate-forme de monter, solidifiant la résine couche après couche.
La Masked Stereolithography Apparatus (MSLA), quant à elle, utilise un écran LCD comme masque pour façonner précisément la lumière, permettant une photopolymérisation sélective et rapide des zones désirées, offrant ainsi une plus grande précision et efficacité que le processus point par point du SLA.
Applications possibles de ces technologies : Dentaire, Joaillerie, modélisme, santé, industrie, art et design
Dépôt de fil fondu / Dépôt de matière fondue (FDM)
Date de création : 1988
Le procédé FDM a été développé par Scott Crump à la fin des années 1980 et a été breveté en 1989. Scott Crump a par la suite fondé la société Stratasys pour commercialiser cette technologie.
La modélisation par dépôt en fusion(Fused Deposition Modeling), également connue sous le nom de Dépôt de Filament Fondu (FFF), est une technique de fabrication additive facile d’accès et économique. Elle fonctionne en chauffant un filament thermoplastique, jusqu’à ce qu’il fonde. L’extrudeur de l’imprimante, un élément chauffant, pousse ce plastique fondu à travers une buse et le dépose soigneusement sur le plateau d’impression, couche après couche. En refroidissant, le plastique se solidifie rapidement, permettant la construction progressive de l’objet. Cette méthode est largement utilisée tant dans les applications domestiques que professionnelles en raison de sa simplicité et de son coût relativement bas.
Applications possibles de cette technologie : Prototypage rapide, Industrie, Architecture et Design, Loisirs, Aérospatiale, Automobile, l’Électronique et la Santé.
Frittage et Fusion sur lit de Poudre
Les premiers développements dans le domaine du frittage sélectif par laser (SLS) pour les polymères ont commencé dans les années 1980. La technologie a été brevetée en 1989 par le Dr. Carl Deckard et le Dr. Joe Beaman de l’Université du Texas à Austin.
Les technologies de fabrication additive dites de fusion sur lit de poudre, comme le SLS, DMLS, SLM, et EBM, utilisent des lasers ou des faisceaux d’électrons pour fusionner des matériaux en poudre ou en métal couche par couches, permettant de créer des pièces complexes et résistantes.
Le SLS(Selective Laser Siltering) emploie des polyamides et autres plastiques. La fusion sélective des particules de poudre via un laser trace le contour de la pièce faisant descendre progressivement le plateau pour ajouter de nouvelles couches de poudre.
Le DMLS et le SLM, quant à eux, se concentrent sur les métaux : le DMLS soude les poudres métalliques sans atteindre le point de fusion pour une grande précision, tandis que le SLM les fond complètement, idéal pour des métaux purs comme l’aluminium, offrant légèreté et robustesse aux pièces.
L‘EBM, se distinguant par l’utilisation d’un faisceau d’électrons dans un environnement à haute température et sous vide. Cette méthode minimise les contraintes résiduelles et limite les risques de distorsion. Ces procédés avancés supportent la création de composants mécaniques durables, des prototypes aux pièces de rechange, avec une variété de matériaux.
La technologie Multi Jet Fusion (MJF) crée en 2016 par HP, utilise une approche innovante où une matrice à jet d’encre dépose des agents de fusion et de détails sur une couche de poudre polymère. Ces agents, une fois appliqués, sont chauffés pour transformer la poudre en une couche solide, sans l’intervention d’un laser. Ce processus permet d’améliorer significativement la résolution des pièces fabriquées, grâce à l’application d’agents de détails autour des contours des objets, rendant possible la production de pièces aux finitions réalistes et détaillées.
Applications possibles de ces technologies : Aéronautique, Médicale, Automobile, Prototypage, Design, Mode, Art, Bijouterie et Industrie.
Impression 3D par Jet de Liant (Blinder Jetting)
Cette technologie a été développée au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et brevetée au début des années 1990. Elle projette un liant liquide sur une couche de matériau en poudre, liant les particules ensemble pour créer une section de l’objet, avant de répéter le processus pour les couches successives.
L’impression 3D par Jet de Liant se pratique sur poudre métallique, sable, céramique ou polymère. Bien que moins commun que les autres matériaux, l’impression sur polymère offre une alternative aux techniques comme le FDM ou le SLS pour certains types d’applications. Certains systèmes de jet de liant sont capables d’imprimer en couleur en ajoutant des pigments au liant. Cette technique est particulièrement utile pour les modèles architecturaux, les figurines, et les prototypes qui bénéficient d’une représentation visuelle réaliste.
Applications possibles de ces technologies : Architecture, Prototypage rapide, Design produit, Production de moules, Médecine et Dentisterie, Art, Bijouterie, Éducation.
Extrusion de matière (Material Jetting)
Ce procédé a été développé dans les années 1990, avec des entreprises comme Objet (maintenant fusionnée avec Stratasys) qui ont été parmi les premières à le commercialiser. Il crée des objets en déposant de petites gouttes de matériau, qui sont ensuite durcies par lumière UV, et offre ainsi des capacités remarquables. Voici les différentes techniques avancées :
Parmi celles-ci, la technologie PolyJet se distingue par sa capacité à imprimer simultanément plusieurs matériaux et couleurs, permettant ainsi la création de pièces complexes avec des propriétés mécaniques et esthétiques variées.
En parallèle, la technologie MultiJet excelle grâce à sa haute précision et sa capacité à manipuler une diversité de matériaux, y compris des plastiques et des cires, idéale pour les applications nécessitant des détails extrêmement fins.
Enfin, la technique Drop on Demand (DOD) est particulièrement appréciée pour sa gestion efficace des matériaux et sa capacité à imprimer avec moins de déchets, ce qui est essentiel pour l’impression de céramiques et de métaux.
Ces technologies de Material Jetting sont ainsi cruciales pour repousser les limites de l’innovation en conception de produits ou prototypage rapide.
Applications possibles de ces technologies : Emballage, Industrie pharmaceutique, Industrie, Plomberie, Prototypage rapide, Médical, Art, Électronique.
Fabrication additive par feuille de matériau (Sheet Lamination ou LOM)
Les origines de ce procédé remontent aux années 1990, avec différentes variantes qui ont été développées depuis. La fabrication additive par feuille de matériau, également connue sous le nom de laminated object manufacturing (LOM) ou sheet lamination, est une technique de fabrication additive où des feuilles de matériau sont empilées et liées couche par couches pour former un objet.
La fabrication additive par feuille de matériau englobe plusieurs technologies innovantes, chacune adaptée à des applications spécifiques.
Parmi elles, la Laminated Object Manufacturing (LOM) se distingue par l’utilisation de feuilles de papier, plastique ou métal, qui sont découpées au laser ou à l’aide d’un couteau automatisé pour correspondre à chaque couche de la pièce désirée, avec un adhésif pour lier les couches entre elles. Cette méthode est idéale pour des prototypes rapides et économiques.
D’autre part, l‘Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) fusionne des feuilles de métal à travers des vibrations ultrasoniques qui génèrent de la chaleur par frottement, permettant ainsi de créer des composites métalliques sans altérer les propriétés thermiques des matériaux utilisés.
Enfin, la Selective Deposition Lamination (SDL), similaire à LOM mais souvent utilisée avec du papier, emploie un adhésif pour assembler les couches et un laser pour la découpe, offrant une méthode efficace pour des applications nécessitant des détails fins et une production à faible coût.
Applications possibles de ces technologies : Emballage, Industrie pharmaceutique, Industrie, Plomberie, Prototypage rapide, Architecture, Fabrication de moules et Modèles, Éducation, Automobile.
Déposition de matière dirigée par énergie (Directed Energy Deposition – DED)
Bien que des techniques similaires existaient pour le revêtement de surface depuis les années 1970, leur application à la fabrication additive a commencé à émerger dans les années 1990.
La technologie de Déposition de Matière Dirigée par Énergie (Directed Energy Deposition, DED) est un processus de fabrication additive qui consiste à fondre du matériau sous forme de poudre ou de fil lorsqu’il est déposé par une buse sur une surface. Un faisceau d’énergie, tel qu’un laser ou un faisceau d’électrons, est utilisé pour fondre le matériau et construire l’objet couche par couche.
Cette technique englobe plusieurs méthodes avancées, chacune adaptée à des applications industrielles spécifiques. Parmi elles :
Le Laser Engineered Net Shaping (LENS) se distingue par sa capacité à réparer et renforcer des pièces métalliques en utilisant un laser pour fondre la poudre métallique, idéal pour les composants aéronautiques.
L’Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM), qui utilise un faisceau d’électrons sous vide, est parfait pour la construction rapide de grandes structures grâce à son efficacité dans le dépôt de matières.
Le Direct Metal Deposition (DMD) offre une flexibilité remarquable avec la possibilité de déposer différents matériaux simultanément, permettant de produire des pièces avec des propriétés graduelles.
Le Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) se concentre sur l’efficacité et la réduction des coûts en utilisant des fils métalliques pour fabriquer de grandes pièces, souvent utilisées dans le secteur maritime et la construction.
Applications possibles de ces technologies : Pièces de grande taille, Pièce à géométrie complexe, Aérospatiale, Automobile et Médical, Prototypage rapide.
Avantages de la fabrication additive
L’impression 3D personnalisée
La personnalisation est l’une des caractéristiques les plus remarquables de l’impression 3D. Cette technologie offre une flexibilité sans précédent pour adapter chaque pièce aux besoins spécifiques de l’utilisateur final. Grâce à la modélisation numérique, il est possible de concevoir des objets sur mesure qui correspondent exactement aux dimensions et aux spécifications requises. Outre la personnalisation, la fabrication additive ouvre la porte à une complexité de conception qui déplace les frontières de l’ingénierie traditionnelle. Avec l’impression 3D, il est désormais possible de créer des géométries complexes.
Gain de temps
L’impression 3D transforme radicalement l’approche de production et permet aux entreprises de réduire drastiquement les délais de développement et de fabrication. Cette technologie facilite des itérations rapides et la réalisation de tests en continu. La simplification du processus de fabrication accélère la mise sur le marché des innovations, offrant aux entreprises un avantage compétitif significatif. Elles deviennent plus agiles, capables de répondre rapidement aux besoins du marché. La fabrication additive est donc un levier puissant pour accroître la productivité et conserver une longueur d’avance dans l’environnement commercial dynamique actuel.
L’impression 3D additive : un mode de production plus vertueux
L’impression 3D, aussi appelée fabrication additive, est un mode de fabrication alternatif vertueux qui se différencie des techniques de fabrication traditionnelles soustractives (usinage, sculpture, fraisage, perçage…). En créant des objets physiques par superposition de différentes couches de matière, elle élimine toutes les parties jugées inutiles et diminue significativement la proportion de matière perdue.
L’impression 3D pour tous
La fabrication additive est sans limite et permet de concevoir, des pièces, prototypes, séries pour de nombreux secteurs comme :
Le médical : l’impression 3D favorise la production rapide d’orthèses et prothèses (pour le dentaire, la podologie et l’audition par exemple), d’implants sur mesure, de modèles anatomiques pour la planification chirurgicale, d’instruments spécifiques et de traitements et médicaments adaptés aux besoins individuels. Au delà de ces applications éprouvées, aujourd’hui la bio impression 3D ouvre la voie à la production de tissus et d’organes fonctionnels sur mesure, ce qui devrait réduire les temps d’attente pour une greffe ou offrir de nouvelles possibilités de traitement.
L’industrie : l’impression 3D pour l’industrie facilite la fabrication de pièces sur mesure, la réduction des coûts de production et des délais, ainsi que l’optimisation des processus de conception. Certaines entreprises l’utilisent pour produire des composants aéronautiques complexes et réduire le poids des moteurs pour améliorer leur efficacité. Cette technologie devrait être de plus en plus intégrée dans les chaînes de production, car elle permet une fabrication plus agile et personnalisée, ainsi qu’une réduction de l’empreinte carbone grâce à une utilisation optimisée des matériaux.
Le luxe : l’impression 3D s’est aussi fait une place dans le secteur du luxe, car elle offre aux maisons de luxe la liberté d’imaginer des pièces toujours plus esthétiques, uniques et complexes pour répondre aux besoins spécifiques d’une clientèle des plus exigeantes. Ainsi certains bijoutiers de renom conçoivent déjà grâce à cette méthode des bagues ou des montres avec des détails extrêmement fins et des matériaux précieux. Pour les créateurs, cette solution de production à la demande diminue significativement la proportion de matière perdue et évite le gaspillage de matériaux précieux.
L’Art : pour les artistes et sculpteurs c’est aussi une méthode de choix car elle aidera la création de sculptures complexes et uniques, en simplifiant le processus de prototypage mais en offrant toujours plus de choix de matériaux et de formes. Certains artistes l’utilisent déjà pour réaliser des œuvres d’art en trois dimensions avec un niveau de détail sans précédent. Dans le futur, l’impression 3D pourrait démocratiser davantage la création et l’art en offrant des outils abordables et accessibles aux artistes.
L’aéronautique & le naval : la fabrication additive contribue à une innovation accrue et à des performances améliorées dans le secteur aéronautique et naval. Elle rend possible la fabrication de pièces complexes légères, elle facilite la production de prototypes et composants sur mesure et enfin, elle accélère le processus de conception et développement. L’impression 3D peut être utilisée pour la fabrication de pièces de rechange à la demande qui permettent de réduire les coûts de stockage et logistique.
L’automobile : idéale pour la fabrication de pièce complexes et légères, comme des prototypes de moteurs ou des composants personnalisés, la fabrication additive donne la possibilité de réduire les coûts de production et d’améliorer les performances des véhicules. Certaines grandes marques l’utilisent pour créer des pièces sur mesure, des composants de sièges etc.. Et demain ?Le secteur de l’automobile pourrait voir naitre des véhicules entiers et uniques conçus en 3D.
L’avenir de la fabrication additive
Le dynamisme financier du secteur, évalué à 15 milliards de dollars en 2023 selon le rapport du marché de l’impression 3D de SmarTech Analysis, devrait connaître une croissance significative pour atteindre une évaluation de 35 milliards de dollars d’ici 2028. Ces chiffres confirment l’essor soutenu et l’adoption généralisée de la fabrication additive. Un avenir qui se dessine à travers des avancées majeures.
L’émergence de l’IA a-t-elle un impact sur la fabrication additive ?
La trajectoire future de l’impression 3D est indéniablement orientée vers une synergie accrue avec l’intelligence artificielle, qui promet de transformer cette technologie. En intégrant des algorithmes d’IA dans les processus d’impression, La fabrication additive pourrait voir :
Une optimisation accrue des paramètres d’impression,
Une détection et une correction automatiques des défauts de fabrication,
La création de conceptions génératives innovantes.
Une personnalisation plus poussée des produits et des processus de fabrication adaptatifs en temps réel.
Avec des avancées rapides dans ce domaine, les possibilités offertes par l’IA dans l’impression 3D semblent prometteuses et pourraient ouvrir de nouvelles voies à l’innovation et à la croissance de cette technologie.
Progrès dans la science des matériaux
Les matériaux utilisés en fabrication additive sont au cœur de l’évolution de cette technologie.
Les recherches visent à développer de nouveaux matériaux dotés de propriétés améliorées : résistance supérieure et flexibilité accrue contribuant ainsi à l’optimisation de la performance des produits finaux. Ces innovations matérielles permettront de repousser les frontières des applications possibles de la fabrication additive.
Les recherches actuelles se concentrent également sur le développement de matériaux plus respectueux de l’environnement, tels que les bioplastiques dégradables ou les composites recyclés, qui visent à réduire les déchets et la consommation d’énergie associés à la production industrielle. L’éco-conception est en train de devenir une norme, avec des matériaux conçus pour être réutilisés ou réintégrés dans le cycle de production après leur vie utile, minimisant ainsi l’impact écologique tout au long de la chaîne de valeur.
Demain, les avancées dans le domaine de la fabrication additive promettent une révolution transformative :
Vitesses d’impression accrues
Précision améliorée
Des matériaux toujours plus avancés
Nous pouvons nous attendre à des progrès significatifs dans la production de pièces de toutes tailles, de la plus petite composante à la structure la plus imposante. L’intégration croissante de l’intelligence artificielle optimisera non seulement les processus d’impression, mais ouvrira également la voie à des conceptions plus complexes et plus efficaces.
L’importance de la durabilité devrait également stimuler le développement de méthodes de fabrication additive, respectueuses de l’environnement. Ces avancées ouvrent la porte à un avenir où la fabrication additive deviendra encore plus présente et performante, mais en révisant les normes de production pour ouvrir de nouvelles frontières dans la conception et l’innovation.
En définitive, la fabrication additive s’impose aujourd’hui comme une révolution majeure dans le paysage industriel et marque un tournant décisif dans la manière de concevoir, créer et produire. Née d’une curiosité scientifique dans les années 80, elle a évolué pour devenir un moyen de production incontournable qui dépasse les frontières de l’aérospatiale, de l’automobile et du médical pour s’étendre à l’énergie, l’éducation, la mode, et même l’alimentation.
Cette expansion est le fruit de sa flexibilité car la fabrication additive offre des solutions sur mesure innovantes qui répondent aux exigences spécifiques de chaque industrie. Elle se positionne désormais comme un axe central de la transformation industrielle en répondant aux défis contemporains et en ouvrant la voie à un futur riche de potentiel.
FAQ
1. Quels matériaux peuvent être utilisés en fabrication additive ?
De nombreux matériaux peuvent être utilisés pour la fabrication Additive en fonction de la technologie spécifique et de l’application. Parmi eux, des matières comme les polymères (plastiques), la résine, la céramique, la cire ou encore le métal peuvent être utilisé.
2. La fabrication additive est-elle adaptée à la production en série ?
Oui, elle permet de produire dans des délais très courts des projets de petite ou grande série. Bien que la fabrication additive soit souvent associée à la production de prototypes et à la fabrication personnalisée, elle est de plus en plus utilisée pour la production en série dans divers secteurs industriels.
3. Quels sont les délais typiques de production en fabrication additive ?
Il n’existe pas de délais typique de production en fabrication additive. Les délais de production en fabrication additive peuvent varier considérablement en fonction de plusieurs facteurs, notamment la complexité de la pièce, la taille de la pièce, le type de technologie d’impression utilisée, la disponibilité des machines et la charge de travail du prestataire de services. Cependant, voici quelques estimations générales des délais de production en fabrication additive :
Prototypes simples : Pour des pièces de petite à moyenne taille et de complexité modérée, les délais de production peuvent être de quelques jours à une semaine.
Pièces de production personnalisées : Pour des pièces uniques ou de petites séries nécessitant une personnalisation, les délais peuvent varier de quelques jours à quelques semaines en fonction de la complexité et des exigences de finition.
Pièces de production en série limitée : Pour des séries plus importantes, les délais peuvent être de quelques semaines à quelques mois, en fonction du volume de production et de la capacité des machines.
Pièces de grande taille ou de haute complexité : Les pièces de grande taille ou de complexité élevée peuvent nécessiter des délais plus longs en raison du temps nécessaire à l’impression et aux éventuels post-traitements ou finitions.
Il est important de noter que ces délais sont des estimations générales et peuvent varier en fonction des circonstances spécifiques de chaque projet. Il est recommandé de consulter directement Initial en fabrication additive pour obtenir des délais précis en fonction de vos besoins et de vos spécifications.
