Comment fonctionne une imprimante 3D ?

Si l'impression 3D est en passe de devenir incontournable, les procédés utilisés restent méconnus du grand public. Aussi cet article part à la découverte de son histoire et décortique les différentes techniques de fabrication existantes.

Histoire et applications

Bien que des auteurs de science-fiction rêvaient depuis quelques décennies de pouvoir imprimer en trois dimensions, la commercialisation des premiers modèles ne s'est faite qu'à la fin du XXème siècle. Chuck Hull, un ingénieur américain, a commencé à travailler sur les principes de la stéréographie dès 1986. A cette époque, il développe une méthode permettant d'imprimer des objets en 3D, en utilisant un rayon ultraviolet. Celui-ci est utilisé pour dessiner des formes à la surface d'un récipient contenant un liquide photopolymère. Sous l'action des UV, la composition moléculaire du liquide change et la partie en contact avec le faisceau durcit. Ainsi, l'objet est imprimé couche par couche. 

Après avoir créé plusieurs prototypes, Chuck Hill a fondé la société 3D Systems, encore influente sur le marché actuellement. A cette technique s'en sont ajoutées deux autres : le modelage par dépôt de matière en fusion et le frittage sélectif par laser. D'abord vendues exclusivement dans le secteur industriel, les imprimantes 3D ont fait récemment leur entrée chez les particuliers. Si le dépôt de matière commence à être connu du grand public, les imprimantes à frittage restent encore majoritairement produites pour les entreprises. Ces méthodes permettent de créer des objets conçus par ordinateur. De la même manière qu'une imprimante classique crée une copie d'un document numérique, la version 3D convertit un dessin numérique (plan) en objet palpable. 

Si les rayons UV fonctionnent exclusivement avec des matière photopolymères, les deux autres méthodes laissent la place à une large gamme de matières premières. Les versions grand public fonctionnent à partir de fil de plastique quand les professionnels peuvent travailler plus de 200 matières (verre, céramique, sucre...). Ces procédés trouvent des applications dans bon nombre de domaine dont la médecine, le secteur aérospatiale ou encore l'industrie agroalimentaire. Ainsi, il est désormais possible d'imprimer des maisons, des prothèses médicales, des tissus humains ou encore des stations spatiales à partir de sol lunaire.

Pour les particuliers, ce sont des projets comme les imprimantes RepRap ou MakerBot qui ont démocratisé les imprimantes 3D, en les rendant financièrement accessibles. 

Composition et fonctionnement

• Modelage par dépôt de matière en fusion

Cette technique également appelée FDM (Fused Deposition Modeling) est la plus connue du grand public. Elle consiste à réaliser un objet conçu par ordinateur, en déposant de la matière en une superposition de fines couches. Ce procédé a été développé en 1989 par S. Scott Crump, qui l'a ensuite commercialisé via sa société Stratasys, Ltd.

Le principe réside dans le fait de chauffer un fil de matière grâce à un extrudeur. Les appareils vendus aux particuliers nécessitent majoritairement des fils plastiques ABS ou PLA. Selon la matière utilisée, l'extrudeur (buse) chauffe une partie de la bobine de fil entre 195° (PLA) et 250° (ABS). Cet élément est terminé par une sorte de tête d'impression d'où s'écoule le fil, ne mesurant maintenant que quelques dixièmes de millimètres. Suivant le dessin numérique, la tête se déplace pour dessiner l'objet, en suivant l'axe vertical, horizontal et celui de la hauteur.

• Le frittage sélectif par laser

Si une technique similaire avait été découverte par R.F. Housholder en 1979, elle n'a jamais été commercialisée. Au milieu des années 80, le docteur Carl Deckard met au point le SLS, autrement dit le frittage sélectif par laser. La société DTM Corporation l'a ainsi commercialisée, avant d'être reprise par 3D Systems, à l'origine des premières imprimantes 3D.

Fonctionnant sensiblement de la même manière que les machines à extrudeur, le frittage a la particularité d'utiliser un laser. Contrairement au premier procédé, celui-ci ne dépose pas mais sculpte la matière. De la poudre est étalée sur le plan de travail, le laser dessine en suivant les plans du document numérique, puis une nouvelle couche de matière est déposée. A la fin de l'opération, il ne reste qu'à retirer les excédents de matière comme pour une fouille archéologique.

En résumé

• Avec la technique du FDM, l'extrudeur chauffe et dépose un fil de matière.
• Il suit le dessin conçu par ordinateur (PAO) et crée des couches successives jusqu'à fabriquer la totalité de l'objet.
• Dans le cas du frittage sélectif par laser, de la matière en poudre est déposée par couche.
• A chaque dépôt, le laser sculpte la poudre pour donner forme à l'objet.
• Le récipient de poudre est ensuite fouillé pour y récupérer les objets et enlever l'excédent de matière.
• La stéréographie utilise les rayons ultraviolet.
• Le faisceau vient dessiner la forme de l'objet à la surface d'un récipient rempli de liquide photopolymère.
• Au contact des UV celui-ci se solidifie et descend d'un niveau. Ainsi se forme la première couche.
• Le faisceau recommence alors l'opération jusqu'à ce que l'objet soit complet.

La preuve en images

La première vidéo extraite de la chaîne Youtube « Sciences et avenir » permet de comprendre rapidement l'utilisation d'une imprimante 3D, pour les particuliers. Il est également question des différents sites comme Thingivers permettant de télécharger des dessins en 3D dédiés à l'impression. 

Monsieur Bidouille met en lumière les circuits libres afin de réaliser soi-même son imprimante 3D, ses dessins et ses objets. Il détaille également les différents procédés d'impression. 

Des liens pour approfondir

• « Impression tridimensionnelle », article Wikipedia : histoire, présentation des différentes techniques, applications...
• «Petit historique de l'impression 3D », site du FabLab de Marseille
• « Ce qu'il faut savoir sur l'impression 3D », site Le Journal du Geek : détail des matière, vidéo de Arthur C. Clarke faisant référence au Replicator en 1964...