Innover avec la FA

3D printing coils

La fabrication additive est conçue pour révolutionner l'approche conventionnelle de la conception, des matériaux, des processus et des produits. Son potentiel d'innovation va évoluer et se diversifier en conséquence.

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Traditionnellement, les dessinateurs produisaient des dessins techniques fondés sur un cahier des charges élaboré par des architectes ou des ingénieurs. Dans les années 1980, ils ont commencé à travailler avec des logiciels de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) et non plus avec du papier et des crayons. Comme les systèmes de CAO se sont développés et que les ordinateurs sont devenus plus puissants, il est devenu possible de réaliser des structures tridimensionnelles aussi en silicone (CAO 3D). Cela a permis de développer des systèmes de FA plus innovants puisque des modèles numériques pouvaient être virtuellement découpés en couches et chaque couche fabriquée individuellement. Ces modèles numériques ont permis de personnaliser, de modifier la conception et de produire toute pièce matérielle.

A 3D printed objectLes dessins ou modèles esthétiques et innovants peuvent être protégés par différents droits de propriété intellectuelle. Cependant, seules les structures qui induisent un effet technique remplissent les critères de brevetabilité. Les processus de FA créent des structures que l'on pensait impossibles à produire ou trop coûteuses. La FA permet par exemple la production précise d'implants médicaux adaptés à l'anatomie de chaque patient. La conception de telles structures est la première étape innovante de la chaîne de valeur de la FA.


Au fil des années, la FA a été mise en œuvre avec à toutes sortes de matériaux : au départ, des polymères, puis des métaux et de la céramique et plus récemment des biomatériaux, des matériaux composites et des ciments.

Des systèmes différents reposent sur l'utilisation de différents matériaux. La stéréolithographie repose sur l'utilisation d'un matériau liquide photosensible qui est polymérisé par un laser ultra-violet, procédé utilisé par les dentistes pour durcir les matériaux d'obturation dentaire. Des techniques récentes permettent de disperser des particules en céramique ou en métal dans le liquide.

Les systèmes de lit de poudre peuvent s'accommoder d'une large gamme de matériaux dont la plupart sont disponibles dans le commerce. Les efforts récents en vue de développer la méthode se sont concentrés sur la fluidité de la poudre et la densité du lit.

Des mélanges de différents matériaux qui varient selon leur composition ou leur forme ainsi que des matériaux hybrides peuvent être également utilisés pour créer un alliage ou un matériau composite. Des combinaisons de matériaux peuvent être incorporées dans la conception de produits classés selon leur fonction et présentant des propriétés mécaniques, chimiques et/ou physiques optimisées localement.

L'innovation dans le domaine des matériaux pour les processus de FA est essentielle pour la fabrication de produits dont les propriétés correspondent ou dépassent celles des produits fabriqués avec des méthodes traditionnelles.

Polymères

Le choix de polymères à des fins de fabrication additive est principalement déterminé par le type de technologie de FA.

Pour les méthodes d'extrusion de matériau, il est possible d'utiliser toute une gamme de polymères thermoplastiques. Ces derniers sont fondus avant d'être appliqués et durcissent lorsqu'ils refroidissent. Les résines constituées de PLA, de PC et de styrènes sont les plus utilisées dans ce domaine.

D'autre part, les acrylates, les résines époxy et les polyuréthanes sont les résines privilégiées pour les techniques de photopolymérisation et d'impression par jet de liant.

Dans la technologie de fusion sur lit de poudre métallique, des résines polyamides sont habituellement appliquées (par ex. PA6, PA11, PA12) ainsi que d'autres matériaux polymères tels que le PEEK ou le TPU.

Normalement, ces polymères sont spécifiquement conçus pour une utilisation en FA. Ils font aussi l'objet de nombreuses recherches, puisque les produits finaux présentent actuellement des inconvénients si on les compare à ceux fabriqués avec des méthodes conventionnelles, notamment lorsqu'il est question de stabilité dimensionnelle, des propriétés mécaniques, de porosité, des exigences de vitesse et d'une résolution suffisante.

Métaux

Différents types de poudres métalliques ont été développées pour la fabrication additive : les aciers, notamment les inox et les aciers à outils, les alliages en aluminium pour les applications aérospatiales, les alliages à base de nickel et de cobalt pour les pièces de turbine, les alliages en titane pour les implants, les alliages en cuivre pour les dissipateurs thermiques et les échangeurs de chaleur et les alliages métalliques pour la bijouterie.

L'optimisation des matériaux se concentre sur deux aspects distincts :

  • l'optimisation de la composition des alliages pour améliorer l'interaction entre la poudre d'alliage et le faisceau d'énergie;
  • l'optimisation de la rhéologie de la poudre, notamment la morphologie de la poudre, la taille des particules, la distribution granulométrique et la fluidité afin de simplifier et d'accélérer le dépôt de couches régulières de poudre et d'ajuster la densité du produit final.

En outre, les pièces produites en 3D ne nécessitent pas de passer par l'étape finale du frittage lorsqu'elles sont fabriquées par fusion sur un lit de poudre et par dépôt d'énergie directe, par exemple. C'est pourquoi elles présentent une microstructure différente de celle des pièces produites au moyen de techniques conventionnelles comme le moulage, le forgeage ou le moulage par injection. Des traitements thermiques spécifiques sont donc en cours d'élaboration afin d'adapter les propriétés des pièces finales de FA aux exigences particulières des produits.



Céramiques

Dans le domaine des céramiques, le frittage sélectif par laser (SLS) est la technique la plus classique pour créer une forme en 3D. Des liants organiques sont en général ajoutés au départ à la poudre de céramique pour obtenir une couche stable.

Il existe d'autres méthodes qui consistent à déposer des couches de poudres de céramique sans liant puis à vaporiser un liant de façon sélective sur chaque nouvelle couche. Ce processus est connu sous le nom d'impression par jet de liant, l'objet tient aux endroits où le liant a été ajouté et le reste se désintègre. L'objet 3D qui en résulte peut ensuite être fritté.

Le matériau céramique le plus courant dans la fabrication additive est la zircone (ZrO2) qui est utilisée pour fabriquer des dents, des couronnes et d'autres objets dentaires taillés sur mesure. L'alumine (Al2O3) peut aussi être utilisée à cette fin. Les matériaux céramiques imitant l'os sont en général constitués de phosphate ou de matériaux à base de silice. Le carbure de silicium (SiC) est la céramique non-oxydique dont l'utilisation est la plus répandue dans la fabrication additive. On le trouve surtout dans les composants de turbine exposés à une température élevée. Ici, les techniques d'infiltration sont souvent utilisées pendant ou après la fabrication.



Biomatériaux

Le domaine des biomatériaux se concentre sur les aspects chimiques des implants. Les produits et matériaux utilisés doivent être dotés de certaines caractéristiques mécaniques, de propriétés de dégradation ou de stabilité ainsi que de la forme désirée ou de la capacité à être transformés. Ils doivent aussi interagir de façon appropriée avec des protéines, des cellules et des tissus et souvent faciliter également la libération de médicaments.

On appelle "bio-encres" les compositions biocompatibles utilisées pour la fabrication additive de tissus. Elles contiennent des matériaux qui imitent les éléments de la matrice d'une cellule naturelle. Elles forment des structures tridimensionnelles poreuses ou faites d'hydrogel qui soutiennent ou stimulent la régénération des tissus. Dans les matériaux à base d'hydrogel, les cellules censées former le nouveau tissu font souvent partie de la bio-encre. La fabrication additive permet d'imprimer des structures complexes à base de ces gels. Dans les matériaux poreux, les cellules sont projetées une fois que la structure a été formée ou les cellules croissent au sein de la structure après qu'elle a été greffée. L'une des techniques d'impression 3D utilisée dans ce domaine est la stéréolithographie qui utilise des bio-encres composées de polymères biocompatibles connus qui sont fonctionnalisés pour permettre la photo-réticulation. Ces bio-encres peuvent former des structures à porosité et à interconnectivité élevée qui ont la forme adaptée pour réparer le tissu endommagé. Il est même possible de créer des structures dotées d'un réseau capillaire imprimé pour s'assurer que les cellules dans de tels échafaudages disposent de suffisamment de nutriments et d'oxygène pour former un nouveau tissu.



Béton

La FA est en train de devenir une technologie transformatrice dans le secteur de la construction en permettant aux architectes et aux ingénieurs de concevoir des structures plus complexes.

Une technologie similaire à l'impression jet d'encre nommée "contour crafting" a été la première méthode développée pour la construction additive de structures de bâtiments. Cette méthode repose sur l'utilisation de grandes buses et d'une pression élevée pour extruder une pâte en béton.

D'autres méthodes reposent sur la technologie d'impression par jet de liant qui est basée sur le dépôt d'une couche de matériau réactif comme le ciment Portland sur une couche de sable.

Le ciment Portland ou le ciment d'aluminate de calcium peut être utilisé en guise de lit de poudre avec une solution aqueuse de carbonate de lithium qui fait office de liant.

Des structures en poudre imprimées en 3D dans un système géopolymère ont également été développées. Dans ces structures, le lit de poudre se compose de laitier de haut fourneau, de sable et de silicate de sodium anhydre broyé (un activateur alcalin).

L'impression 3D de béton frais pose plusieurs défis, notamment en ce qui concerne la régulation de la pompabilité, les propriétés du béton frais afin qu'il soit suffisamment maléable, le temps disponible pour l'extrusion ainsi que le développement de ses propriétés structurelles et de sa solidité. De telles propriétés revêtent une importance cruciale selon la complexité et la taille des objets imprimés.

Plus de sept catégories de procédés de FA ont été jusqu'ici décrites dans le standard ISO/ASTM 52900:2015. Ces procédés sont les suivants : projection de liant, dépôt de matière sous énergie concentrée, extrusion de matière, projection de matière, fusion sur lit de poudre, stratification de couches, photopolymérisation en cuve.

A 3D printer at workSelon que le matériau est immédiatement consolidé ou non, on peut distinguer entre un procédé en une étape et un procédé en deux étapes.

Dans le cadre d'un procédé en une étape, le matériau est directement consolidé par séchage, frittage ou fonte. On compte parmi les exemples représentatifs le dépôt de matière sous énergie concentrée, la fusion sur lit de poudre et l'extrusion de matière, procédés que l'on dénomme également fusion laser sélective (SLM), fusion par faisceau d'électrons (EBM), dépôt de fil fondu (FFF), etc.

Dans le cadre du procédé en deux étapes, le matériau est collé de façon temporaire en utilisant un liant ou une "colle". Lors d'une étape distincte, la pièce est chauffée pour déclencher sa consolidation finale. L'impression 3D ou la projection de liant sont des exemples typiques de procédés en deux étapes.

D'autres particularités du procédé ont trait à la forme dans laquelle le matériau (solide) est introduit et déposé : lit de poudre, dépôt direct de poudre ou de gouttelettes fondues, extrusion de fil.

Alors que les premières machines de FA spécialisées utilisaient soit un liquide séchable soit un lit de poudre pouvant être fritté, les versions actuelles permettent d'avoir recours à des formes de matériaux et des méthodes d'alimentation plus variées. Le dépôt de métal en fusion, par exemple, approvisionne le matériau sous forme de fil. Le matériau est ensuite fondu localement et forme des gouttes de matériaux qui se solidifient lorsqu'elles se déposent. Le matériau peut être aussi appliqué localement en utilisant une buse qui projette de la poudre qui est ensuite directement fondue par le faisceau d'énergie dans l'air ou dans un bain de fusion formé par le faisceau. Dans les deux cas, le matériau est introduit avec une grande précision là où on en a besoin dans les quantités nécessaires.

Pour la technique d'impression par jet de liant ou d'impression 3D, la structuration précise de la fabrication additive est combinée à un procédé classique de chauffage appliqué aux pièces finales. Comme ces procédés de chauffage sont utilisés depuis de nombreuses années, les propriétés du produit obtenu sont plus prévisibles. Le produit peut être fabriqué plus vite puisqu'il n'est pas nécessaire de réchauffer ou de faire fondre le matériau dans le cadre de ce procédé. Comme les deux procédés (fabrication et réchauffement) ont lieu dans différentes installations, la production peut être organisée de façon plus souple.

Selon les matériaux et leur utilisation, il se peut que certaines exigences doivent être remplies concernant le chauffage et/ou le refroidissement, de même que la création d'une atmosphère inerte ou des conditions stériles.

Autrefois, la FA servait surtout à fabriquer rapidement des prototypes. Comme elle est aujourd'hui de plus en plus utilisée pour fabriquer des produits de consommation courante, l'amélioration de la rapidité, de la qualité, de la productivité et du contrôle des processus améliorés joue un rôle de plus en plus important.

Concernant la rapidité, les derniers développements ont porté notamment sur l'accroissement du nombre de sources d'énergie et/ou de distributeurs de matériaux, une autre possibilité consistant à combiner diverses unités de traitement pour générer une approche de "procédé continu".

Outre la productivité, la qualité des produits finaux a son importance, notamment dans les domaines comme l'aérospatiale et la technologie médicale. En introduisant des éléments tels des caméras, des capteurs, des unités de contrôle et des méthodes de calibrage dans les chambres de fabrication, le contrôle qualité peut être effectué sur site et des mesures correctives prises si nécessaire.

Historiquement, la FA ou l'impression 3D a été principalement utilisée pour la production de prototypes, notamment dans l'industrie automobile et aérospatiale. Il y a désormais de plus en plus de particuliers qui produisent et fabriquent leurs propres objets chez eux. Cependant, la FA est de plus en plus utilisée pour la fabrication commerciale de produits finaux.

La FA est aujourd'hui particulièrement attrayante pour deux types de fabricants : ceux qui fournissent des produits personnalisés ou sur mesure et ceux qui fournissent des objets qu'il serait impossible de fabriquer autrement d'un point de vue technique ou financier.

Médecine personnalisée

La fabrication additive a déjà eu un impact positif sur la vie quotidienne des individus. Des outils ou des implants personnalisables ainsi que de nouveaux types de médicaments améliorent la santé de millions de personnes. La technologie d'impression 3D pour produire des prothèses ou des implants adaptés à l'anatomie de chaque patient est bien établie.

Selon le type d'implant, il est possible d'utiliser des matériaux biodégradables ou résorbables tout comme des matériaux permanents. En outre, le squelette d'une greffe comme une valve cardiaque peut être imprimé et ensuite colonisé par des cellules. Il existe également des développements prometteurs dans le domaine des applications en lien avec la biotechnologie.

Dans le domaine de l'orthodontie, les attaches personnalisées et même les arcs mais plus souvent les gouttières peuvent être fabriqués sur mesure en fonction des besoins du patient. Les gouttières transparentes sont apparues dans l'industrie orthodontique au début des années 2000. Leurs utilisateurs bénéficient de leur aspect discret et de leur plus grande souplesse.

Implants cardiovasculaires

Dans le domaine des implants cardiovasculaires, la technologie d'impression 3D est devenue un moyen courramment utilisé pour fabriquer des implants comme les endoprothèses, les greffes et les valves cardiaques adaptées à l'anatomie de chaque patient. À cette fin, les patients sont en général scannés (IRM, CT), le système vasculaire est modélisé et une prothèse ou un implant personnalisé sont conçus et imprimés sur la base de ces données.

En ce qui concerne les valves cardiaques par exemple, la structure d'un implant peut être imprimée et ensuite colonisée par des cellules. Cependant, l'utilisation de la technologie d'impression 3D n'est pas encore très répandue pour la production en série d'implants de taille standard car les technologies traditionnelles restent plus rentables et/ou fabriquent un produit final qui offre de meilleures propriétés mécaniques.

D'autre part, les endoprothèses vasculaires fabriquées en 3D peuvent être personnalisées au niveau de la forme, du choix du matériau, de l'épaisseur de la paroi et de la force radiale. Selon le type d'implant, des matériaux biodégradables ou biorésorbables (polymères et métaux, comme le magnésium) ainsi que des matériaux permanents sont utilisés.

Les endoprothèses jouent un rôle seulement lors de l'intervention chirurgicale et de la période qui suit celle-ci, c'est-à-dire jusqu'à ce que la guérison et la ré-endothélialisation soient achevées. Cependant, les endoprothèses imprimées en 3D conventionnelles sont habituellement faites à base de métaux non résorbables (inox, titane, nitinol). C'est la raison pour laquelle elles restent dans le corps même une fois la réparation vasculaire réalisée et peuvent endommager les vaisseaux. Afin de surmonter cette difficulté, des stents biorésorbables (BRS) ont été créés.

Les endoprothèses les plus récentes présentent des avantages significatifs par rapport aux endoprothèses métalliques conventionnelles comme la biorésorption totale, une souplesse mécanique ou l'absence de production d'artéfacts en imagerie dans les méthodes d'imagerie non-invasives. Toutefois, les moyens conventionnels de fabrication des BRS comme le tissage et la découpe laser se sont avérés problématiques. La FA fait donc l'objet d'études à l'heure actuelle afin de pouvoir produire ce nouveau type de stent.

Cette technologie est également utilisée pour planifier des opérations adaptées au patient, pour former les chirurgiens et pour continuer de développer des implants standards. Ici, le système vasculaire du patient est imprimé en utilisant des matériaux présentant différentes propriétés pour simuler la calcification par exemple.



Implants osseux

La fabrication additive est largement utilisée pour fournir des prothèses adaptées aux besoins du patient individuel. Comme l'implant est fabriqué sur mesure, une part beaucoup plus importante de l'os hôte peut rester en place comme il n'est pas nécessaire de l'adapter à un implant standard, fabriqué en série. De plus, les proportions et les surfaces des prothèses d'articulation peuvent se transformer en un genou, une hanche ou une épaule personnalisée.

En traumatologie, domaine dans lequel les pertes de substance osseuse qui doivent être comblées sont plus importantes, les implants peuvent être personnalisés de façon à reconstruire l'apparence physique d'un patient.

La rigidité des implants peut également être personnalisée. Une structure à porosité ouverte peut aussi permettre la repousse osseuse, un avantage particulier de la FA. La technologie est actuellement appliquée aux implants crâniens, maxillaires ou faciaux et aux plaques de fixation d'os, aux vis ou aux clous.

Récemment, l'impression 3D a été utilisée directement dans le corps humain. Les prothèses de cartilage peuvent par exemple être fabriquées dans le corps humain. Des exemples de cette technologie sont présentés dans des demandes de brevets comme les demandes WO2017205663, WO2014110590 et WO2017080646. Cependant, les méthodes de traitement chirurgical ou thérapeutique du corps humain ou animal ne sont pas brevetables en vertu de la CBE.



Bio-impression

L'utilisation de la fabrication additive pour imprimer des organes fait l'objet de recherches et est en cours de développement. La prochaine étape serait d'utiliser du matériau vivant pour répliquer et remplacer des organes ou des vaisseaux sanguins. Par exemple, de la peau ou du cartilage pourraient être imprimés et ensuite greffés sur un organisme vivant.



Bicyclettes

La fabrication additive permet de produire des objets dont la forme est complexe sous forme de structure d'un seul tenant. Les cadres de vélo présentent une grande opportunité d'application de la fabrication additive métallique et notamment de la fusion sélective par laser. La fibre carbone peut notamment être utilisée sous forme de towpreg déposé par un bras robotisé. La FA présente également l'avantage d'apporter des améliorations à la conception des produits dès la production. De plus, l'optimisation de la topologie permet de déposer le matériau seulement là où il est nécessaire, permettant ainsi d'adapter le cadre à la forme du corps du cycliste et d'incorporer d'autres caractéristiques uniques.

Le large recours aux algorithmes de CAO garantit que le cadre est aussi efficace et léger que possible tout en préservant sa résistance structurelle. Récemment, les sociétés Carbon et Specialised ont collaboré afin de produire une selle de vélo légère, respirante, imprimée en 3D et dotée d'une structure réticulaire creuse (fabriquée à base d'EPU 41) qui permet au produit de se reformer rapidement. La technologie de FA a non seulement permis de produire une forme qu'il n'aurait pas été possible de fabriquer autrement mais la selle a également été conçue et développée deux fois plus rapidement, un procédé qui a néanmoins nécessité d'être testé plus de 70 fois.

Secteur aérospatial

La perspective de produire des pièces légères sans compromettre la sécurité est de la plus haute importance dans l'industrie aéronautique. Les futurs développements des technologies de fabrication additive vont permettre à de plus en plus de pièces détachées d'avion de répondre à ces exigences. Les réacteurs sont déjà construits à l'aide de pièces détachées fabriquées en 3D et il y a de nombreux autres exemples : des pièces de boroscope, des composants de verrous de porte, des buses de carburant, des aubes de turbine, des tuyaux à double paroi, des bords d'attaque d'un seul tenant avec raccord de goulotte intégré, et bien d'autres encore.

Les aubes de turbine sont un domaine d'application de FA très prometteur en raison de leur géométrie complexe. Celles qui sont fabriquées à partir de poudre de superalliage à base de nickel en fournissent un exemple concret. Les aubes fabriquées en 3D dotées d'un système de refroidissement interne amélioré sont un autre exemple de réussite. La FA va permettre également de réduire le temps de fabrication de tels produits à quelques mois.

Secteur de la construction

La fabrication additive permet de créer des formes complexes qui, auparavant, étaient très peu disponibles dans le secteur de la construction. En outre, lorsque qu'un ouragan ou un tremblement de terre détruit des infrastructures, privant ainsi des milliers de personnes de leur logement, les imprimantes 3D peuvent être utilisées pour reconstruire rapidement des ponts, des autoroutes et des bâtiments d'habitation.

Grâce à leur coût modique et à la rapidité avec laquelle elles peuvent être construites, les maisons imprimées en 3D peuvent présenter une alternative pratique dans le domaine des logements sociaux. Une maison individuelle de plain-pied de 60 m2  peut être construite en 12 à 24 heures pour un coût inférieur à celui des technologies traditionnelles. Étant donné que la technique peut être automatisée, la construction de bâtiments dans des environnements dangereux (voire même sur la surface d'autres planètes) peut être entreprise sans mettre en danger les ouvriers du bâtiment.

L'impression de bâtiments en 3D est un exemple de processus de FA à grande échelle qui peut avoir lieu soit sur site soit dans une usine. À cette fin, de nouveaux systèmes d'impression 3D à grande échelle sont en cours de développement, tels que les têtes d'impression et les unités d'impression fixes ou mobiles. Les innovations récentes se concentrent également sur les bétons à très haute performance. De tels projets requièrent la coopération interdisciplinaire de professionnels issus de l'ingénierie civile, architecturale, chimique, mécanique, électrique et informatique.

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