L'impression 3D, aujourd’hui et au-delà

 

L'ÉVOLUTION DE L'IMPRESSION 3D

L'impression 3D existe depuis les années 1980, mais son démarrage a été lent, car l'écosystème périphérique tel que les matériaux, les logiciels, la robotique, le graphisme 3D et Internet n'avaient pas encore évolué. La technologie a été utilisée principalement pour des applications de prototypage industriel.

Avec la prolifération de l'infographie et de la CAO (conception assistée par ordinateur), l’apparition de nouveaux matériaux d'impression 3D de meilleure qualité, la meilleure fiabilité des processus et l’apparition d'Internet, l'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive (AM), a connu un essor exponentiel au milieu des années 2000.

Les principaux facteurs propulsant cette croissance exponentielle sont la gamme élargie de matériaux et l'accessibilité. Jusqu'au milieu des années 2000, l'impression 3D n'était possible qu'avec du plastique relativement souple, limitant fortement ses applications de prototypage. Depuis lors, la gamme de matériaux a considérablement augmenté, ce qui permet de créer des produits haute résolution, solides, fonctionnels et prêts à l'emploi.

L'impression 3D est maintenant appliquée dans divers domaines, notamment l'aérospatiale, l'automobile, l'électronique, la médecine et l'éducation. Elle révolutionne de nombreux domaines et disciplines, démontrant que presque toutes les industries pourraient bénéficier d'une manière ou d'une autre de cette technologie.

IMPRESSION 3D DE NOS JOURS - FABRICATION ET CONCEPTION PERTINENTES

Fabrication redéfinie

L'impression 3D n'est pas seulement l’une de ces techniques de fabrication qui existent. Elle offre l'occasion de repenser les conventions et contraintes de fabrication traditionnellement adoptées et d'ouvrir de nouvelles possibilités.

Dans la fabrication traditionnelle, plus la forme d'un objet est complexe et plus un produit contient de pièces, plus sa fabrication coûte cher. Avec la fabrication additive, le temps, l'effort et le coût pour créer des conceptions complexes sont relativement inférieurs, ce qui permet de produire des produits hautement optimisés sans être embourbé par le coût de fabrication. Traditionnellement, il est plus cher et il faut plus de temps pour fabriquer un produit s'il contient plus de pièces. L'impression 3D diminue les coûts en réduisant le nombre de pièces et en éliminant les étapes d'assemblage.

En outre, alors qu'une main d’œuvre qualifiée est requise pour faire fonctionner les machines de fabrication traditionnelles, les directives d’une imprimante 3D sont contenues dans un fichier de conception. Cela élimine les nombreuses compétences et les exigences de formation associées à la fabrication traditionnelle, créant de nouveaux modèles commerciaux et offrant plus de possibilités aux personnes n'ayant pas accès à l'expertise de fabrication. La flexibilité de l'envoi des fichiers numériques et la portabilité relative des machines AM suggèrent également des opportunités pour de nouvelles configurations de chaîne d'approvisionnement, ainsi que de nouveaux réseaux de distribution.

Avec les métaux, l'impression 3D crée moins de déchets que les techniques traditionnelles de meulage ou de fraisage utilisées dans la fabrication en série. L'usinage du métal est très coûteux. On estime que 90% des matériaux finissent dans l'usine.

Airbus, l'un des principaux constructeurs d'avions, utilise des pièces imprimées en 3D à la place de pièces de fabrication traditionnelle pour accroître la flexibilité de sa chaîne d'approvisionnement et respecter les engagements de livraison.

Airbus a produit plus de 1 000 pièces d’avion sur ses imprimantes 3D Stratasys® FDM® pour une utilisation sur l’A350 XWB, dont la livraison a commencé en décembre 2014.

En 2013, Airbus a lancé le développement et la certification de l'impression 3D en tant qu'activité planifiée de réduction des risques qui s'est avérée précieuse pour le programme A350 XWB et qui a mis en évidence un avantage clé de l'impression 3D dans l'industrie manufacturière.

Les pièces sont imprimées en 3D à l'aide de la résine ULTEM ™ 9085 pour FDM, laquelle est certifiée selon les spécifications des matériaux Airbus. La résine ULTEM 9085 offre un rapport résistance / poids élevé et est conforme aux normes FST (flamme, fumée et toxicité) pour les applications à l'intérieur des avions. Cela permet à Airbus de fabriquer des pièces solides et plus légères tout en réduisant considérablement le temps de production et les coûts de fabrication.

Les solutions de fabrication additive peuvent produire des pièces complexes à la demande, garantissant une livraison à temps tout en rationalisant les chaînes d'approvisionnement. Elles améliorent aussi considérablement le ratio « buy-to-fly », car beaucoup moins de matières sont gaspillées par rapport aux méthodes de fabrication conventionnelles.

Conception libérée

Les technologies de fabrication traditionnelles ne peuvent offrir qu'un répertoire fini de formes, ce qui limite la polyvalence de la conception. Une imprimante 3D supprime ces barrières en permettant de fabriquer des formes qui n'étaient possibles que dans la nature jusqu'à présent. Ceci ouvre de nouvelles opportunités de conception. Désormais, différentes formes peuvent être créées en une seule impression 3D. De leur côté, les machines de fabrication traditionnelles sont beaucoup moins polyvalentes et ne peuvent fabriquer des objets que dans un spectre de formes limité.

Il est difficile de combiner différentes matières premières en un seul produit en utilisant des machines de fabrication traditionnelles. À mesure que l'impression 3D multi-matériaux se développera, nous gagnerons en capacité de mélanger et de mixer différentes matières premières. De nouveaux mélanges de matières premières jusque-là inaccessibles offrent une palette de matériaux beaucoup plus grande, pour la plupart inexplorée, et qui a de nouvelles propriétés ou des types de comportements utiles.

Pour le fabricant de vélos primé Trek, le prototypage joue un rôle crucial dans toutes les phases du développement de produit. Mais lorsque ses coûts annuels pour le prototypage externalisé ont atteint 275 000 $, la direction a décidé qu'il était temps d'envisager l'achat d'un système de prototypage rapide en interne. Trek a ajouté l'imprimante 3D Objet500 Connex3 ™ à son workflow, une machine propre et conviviale qui produit des pièces PolyJet ™ rivalisant avec celles fabriquées avec la méthode SLA en termes de qualité et de finition. Trek produit désormais quatre fois plus de prototypes qu'auparavant, tout en accélérant le délai de mise sur le marché.

La technologie PolyJet offre la capacité unique d'imprimer des pièces et des assemblages en plusieurs matériaux. Des pièces avec différentes propriétés mécaniques et physiques, des surfaces lisses et durables et des détails exceptionnellement fins sont possibles, le tout en une seule impression. Le système peut imprimer des charnières vivantes, des pièces au toucher doux et des surmoulages impossibles avec d'autres technologies. La productivité plus élevée, les produits imprimés de haute qualité et les capacités d'impression multi-matériaux uniques de l'imprimante Connex permettent aux utilisateurs d'émuler étroitement l'apparence, la sensation et la fonction d'une grande variété de produits finis. La capacité de mélanger trois matériaux ensemble via la technologie PolyJet pour augmenter les duromètres était un argument de vente clé pour Trek, tout comme la capacité de combiner des matériaux en une seule partie.

Plus récemment, l'impression 3D a joué un rôle clé dans le lancement du nouveau vélo Speed ​​Concept 9 Series de la marque. Le design unique de son cadre présente des sections aérodynamiques qui réduisent la résistance au vent et améliorent la vitesse. Presque toutes les pièces de la nouvelle conception ont été prototypées sur l'imprimante 3D Connex.

Délai de livraison minimisé

Une imprimante 3D peut également imprimer à la demande, ce qui réduit la nécessité pour les entreprises de faire un stockage physique. De nouveaux types de services deviennent possibles, car les imprimantes 3D permettent aux entreprise de fabriquer des pièces spéciales en réponse à des commandes personnalisées.

La capacité de fabriquer des objets de formes et de tailles différentes sur le même système fait passer la fabrication d'un paradigme d'« économie d'échelle » à celui d'« économie d'envergure ». La combinaison de ces deux libertés - liberté de complexité et liberté de variété - suggère que de nouveaux modèles commerciaux sont activés autour de solutions de fabrication optimisées et personnalisées.

La branche italienne du géant international des biens de consommation, Unilever, a réduit les délais de livraison des pièces prototypes de 40% depuis l'introduction de la technologie PolyJet dans son processus de fabrication. En utilisant des outils de moulage par injection imprimés en 3D, la société est en mesure de produire des pièces prototypes pour des tests fonctionnels et grand public en utilisant du matériel de production, beaucoup plus rapidement qu’avec les méthodes d'outillage traditionnelles. Unilever utilise l'imprimante 3D Objet500 Connex3 pour produire des outils de moulage par injection pour ses divisions de produits d’entretien ménager et de blanchisserie. Ceux-ci comprennent une grande variété de pièces prototypes telles que des bouchons de bouteilles, des fermetures et des blocs pour rebord de toilette.

Unilever peut désormais concevoir et imprimer une variété de moules d'injection pour les tests fonctionnels et grand public, le tout dans la même journée contre plusieurs semaines en utilisant le processus traditionnel. De longs retards non seulement allongent les délais, mais augmentent aussi les coûts si des modifications sont nécessaires. Grâce à l'impression 3D, l'entreprise est désormais en mesure d'appliquer des itérations de conception en quelques heures.

Réplication physique précise

Tout comme un fichier musical numérique peut être copié sans perte de qualité audio, l'impression 3D étend la précision et la répétabilité numériques dans le monde traditionnel des objets physiques.

Le musée de la préfecture de Yamagata au Japon utilise l'impression 3D pour créer des répliques d'un trésor national vieux de 4500 ans, la déesse Jomon, pour que les visiteurs du musée puissent mieux apprendre, explorer et toucher l'histoire. Le musée a attiré l'attention avec l'exposition d'une réplique de poupée en argile de la déesse Jomon. Découverte à Funagata-cho, Yamagata, la poupée originale a été fabriquée à la main à l'époque Jomon (12000 av.J.-C. - 300 av.J.-C.). Grâce à l'impression 3D, le musée a pu capturer avec précision les détails fins et les motifs complexes de la sculpture.

Les répliques imprimées en 3D offrent aux chercheurs, aux universitaires et au grand public un accès plus large aux artefacts historiques. Non seulement, ils peuvent être restaurés et recréés, mais les artefacts peuvent également être utilisés pour des événements éducatifs et des expositions itinérantes.

REGARDER À TRAVERS LE VERRE CRISTAL - QUATRE ÉPISODES DE DÉVELOPPEMENT

Au cours des prochaines années, les normes de matériaux d'impression 3D et la communication entre les imprimantes et les outils de conception arriveront à maturité de manière significative, en plus de l’avancée de la fabrication de pièces de production. Cela est vrai dans tous les secteurs, de la mode à la médecine, en passant par l'aérospatiale.

En regardant l'évolution à long terme de l'impression 3D, nous pouvons distinguer quatre épisodes distincts. Le premier épisode, dans lequel nous sommes actuellement, portait sur le contrôle de l’état et de la forme. Le deuxième épisode portera sur le contrôle de la composition. Nous pourrons créer des matériaux en combinant des matériaux de base à une micro-échelle, permettant ainsi de créer des méta-matériaux complètement différents.

Le troisième épisode sera l'émergence de la matière programmable. Bien qu'il soit techniquement possible d'imprimer en 3D un corps de robot aujourd'hui, il est encore difficile d'imprimer en 3D des pièces électroniques, des capteurs, des actionneurs, des batteries et des processeurs. Mais à l'avenir, la capacité d'imprimer des systèmes actifs intégrés comme ceux-ci transformera la fabrication telle que nous la connaissons.

Le quatrième épisode pourrait être la transition de l'analogique au numérique, ce qui rendrait les capacités des produits imprimés en 3D beaucoup plus avancées. L'épisode 4 portera sur l'impression de documents numériques constitués de voxels préfabriqués (minuscules blocs de construction). Chaque type de voxel permettrait une fonctionnalité différente. Certains voxels seront conducteurs, tandis que d'autres seront structurels, mous ou durs. D'autres voxels auront des capteurs, des actionneurs ou des transistors. Un répertoire relativement restreint de voxels permettrait un vaste espace de conception de différentes capacités.

Alors que l’avenir semble prometteur, nous ne sommes encore que quelque part à la fin du premier épisode. Nous sommes à une époque où le coût marginal de la complexité s’approche de zéro, permettant ainsi de réaliser de nouveaux concepts et conceptions qui auraient été jugés irréalisables jusqu'à présent pour la fabrication.

Mais pour que l'impression 3D transforme véritablement notre monde, l'écosystème doit évoluer davantage de la manière suivante.

• Maturité de la conception : alors que l'impression 3D permet de fabriquer n'importe quelle forme ou géométrie avec presque n'importe quel matériau, les outils logiciels de conception actuels ne rattrapent pas encore cette avancée. Traduire la pensée en design est un processus très difficile, même pour les meilleurs designers, en particulier en ce qui concerne l'impression multi-matériaux. À l'avenir, l'automatisation de la conception et l'intelligence artificielle aideront à combler cette lacune.

• Complexité des matériaux : la capacité de créer de nouveaux matériaux à la volée, de créer des méta-matériaux qui imiteront les matériaux naturels, entraînera la révolution de l'impression 3D. Notre capacité limitée à modéliser, simuler et prévoir les propriétés de ces nouveaux matériaux limite notre capacité à les développer.

• Réplication de systèmes actifs : la capacité d'imprimer des systèmes actifs intégrés, tels que des conducteurs, des capteurs et des actionneurs plutôt que des pièces passives, transformera la fabrication telle que nous la connaissons. Pourtant, la plupart des designers sont mis au défi de penser dans ce nouvel espace de conception. De nouveaux outils d'intelligence artificielle et d'automatisation de la conception pourraient nous aider à explorer ces nouvelles opportunités.

COMMENT L'INDUSTRIE D'IMPRESSION 3D FACILITE-T-ELLE LE PROCHAIN EPISODE ?

Du prototypage rapide à la chaîne de montage

Pour vraiment arriver à maturité, l'impression 3D doit passer d'un outil de prototypage rapide à un outil de fabrication, utilisé pour créer le produit final. Cela se produit déjà dans une certaine mesure, car les pièces de production représentent désormais près d'un tiers du marché de la fabrication additive.

Pour prouver cette transition, en novembre 2014, le Jet Propulsion Laboratory de la NASA a installé des pièces imprimées en 3D sur l'un de ses satellites qui allaient voler vers l'espace. Airbus utilise des imprimantes de production Stratasys pour fabriquer des pièces d’avion pour son nouvel avion A350 XWB.

MULTIPLES CONSISTANCES ET COULEURS

Grâce à des innovations telles que la technologie à triple jet Connex3 ™, il est possible de créer différentes consistances de matériaux et nuances de couleurs sur une même pièce. Dans l'industrie dentaire, cela permet de créer une texture et une couleur gingivales réalistes, des modèles de mâchoires créés directement à partir de données de scan CBCT avec une anatomie haute définition des dents, des racines et des nerfs, et des groupes de modèles qui nécessitent la construction simultanée de plusieurs matériaux avec un processus sans surveillance.

À l'hôpital pour enfants Nicklaus de Miami, en Floride, l'équipe du Dr Redmond Burke a utilisé les solutions Stratasys pour créer un modèle 3D anatomiquement précis du cœur de Mia Gonzalez, à l'aide de son scanner. Mia a reçu un diagnostic de double arcade aortique nécessitant une chirurgie correctrice. Le modèle a imité la flexibilité du cœur humain en combinant des photopolymères pour une gamme de caractéristiques texturales. En utilisant le modèle, Burke et son équipe ont pu déterminer quelle partie de l'arcade cardiaque de Mia devait être divisée pour obtenir le meilleur résultat chirurgical.

La possibilité d'imprimer des modèles fabriqués à partir d'un large éventail de matériaux, de couleurs et de valeurs Shore en une seule construction permet également au groupe Adidas de simuler avec précision les semelles extérieures réelles de ses chaussures de course, ce qui permet de gagner du temps et en compétitivité.

L'impression 3D est appelée à devenir une technologie exponentielle, façonnant l'avenir en étant appliquée à plus d'industries dans le monde chaque jour, de l'aérospatiale à l'automobile, de l'éducation au médical. Elle est capable de révolutionner presque toutes les industries d'une manière ou d'une autre. La question est seulement de savoir comment.

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Publié le 7 Avril 2020