Quel matériau utilise une imprimante 3D ? Plastique, métal et plus

Bien que le domaine de l'impression 3D présente de nombreuses complexités, la théorie derrière la technologie est élégamment simple. Au lieu de retirer de la matière d'un objet plus grand pour le façonner - une méthode utilisée par les humains pour créer des objets depuis des millénaires - l'impression 3D ajoute de la matière à un substrat de fabrication, lui donnant le terme plus technique de fabrication additive.

C'est une révolution tranquille, et maintenant les innovations matérielles poussent le domaine vers des sommets inimaginables.

En tant que technologie, l'impression 3D a encore beaucoup de problèmes à résoudre avant de devenir vraiment courante. Et même alors, ce ne sera qu'aussi bon que les matériaux. Beaucoup assimilent encore l'impression 3D aux polymères, une idée laissée par le regain d'intérêt des consommateurs dans les années 2010.

En réalité, l'histoire, les applications et les matériaux utilisés sont beaucoup plus vastes. Et à mesure que d'autres matériaux se répandront dans la fabrication additive, la fabrication deviendra moins chère, plus rapide, plus sûre et plus durable.

Les plastiques polymères sont toujours le matériau imprimé en 3D le plus répandu, mais si vous pensez qu'ils ne sont bons que pour les pièces d'échecs fantastiques ou les jolis modèles de bureau, vous pourriez être surpris de leur polyvalence.

Les polymères d'impression 3D se présentent sous forme de filaments ou de résines. Comme son nom l'indique, les filaments se présentent sous la forme de longues chaînes qui sont chauffées lors de leur passage dans l'extrudeuse d'impression et façonnées lorsqu'elles sont déposées sur la couche précédente.

La résine est utilisée en stéréolithographie (SLA) ou en traitement numérique de la lumière (DLP), où le matériau provient d'un réservoir de résine liquide et est exposé à la lumière lors de son extrusion, la lumière le durcissant en une couche solide lorsqu'il est déposé sur le précédent.

Alors, quel est le meilleur? Les filaments conviennent généralement aux pièces plus grandes qui doivent être plus solides, tandis que les résines conviennent aux pièces plus petites qui nécessitent moins de post-traitement.

Mais en dehors des bizarreries matérielles inhérentes au processus de fabrication lui-même, les critères utilisés dans la fabrication traditionnelle peuvent être largement appliqués. Le matériau sera-t-il suffisamment résistant dans un joint critique ? Une surface portante prendra-t-elle la masse du reste de l'objet ? Sera-t-il suffisamment flexible pour l'application ?

Le matériau d'impression 3D le plus répandu, l'acide polylactique (PLA), est un plastique biodégradable fabriqué à partir de sources renouvelables comme l'amidon de maïs. Le PLA présente de nombreux avantages, tels qu'un point de fusion bas idéal pour une utilisation légère et grand public. Il est également solide, ne se dilate pas autant que les autres matériaux lorsqu'il est chauffé et a une bonne adhérence aux autres matériaux.

C'est un matériau de fabrication si polyvalent que vous ne réalisez peut-être pas qu'il y a du PLA partout dans votre maison et votre lieu de travail dans les couverts jetables, les appareils électroménagers et les pièces électroniques, le plastique « froissé » comme les emballages alimentaires, la ligne de pêche, les couches, les produits d'hygiène féminine, et plus encore.

L'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) convient aux applications qui ont besoin de résistance et de flexibilité, comme les briques Lego. Il est durable, bon marché, léger et s'extrude facilement à travers une tête d'impression 3D.

Parce qu'il est aussi solide et rigide qu'il est bon marché, l'ABS a une meilleure résistance aux chocs et une meilleure absorption des chocs que de nombreux polymères, ce qui le rend idéal pour des produits comme les casques de vélo et les têtes de club de golf.

Il peut également être moulé par injection, de sorte qu'il s'adapte à des formes légèrement plus extravagantes - pensez à des instruments de musique avec des structures internes complexes, comme des clarinettes ou des hautbois ; barres de pare-chocs pour voitures; et jumelles.

Comme son nom l'indique, ce plastique est apparenté au polyéthylène téréphtalate des bouteilles d'eau et de soda mais modifié avec du glycol, d'où le "G" ajouté. Il a une résistance et une flexibilité élevées, et par rapport au PLA plus largement utilisé, il a une bonne résistance à la température.

Le PETG est parfaitement adapté aux applications qui doivent être robustes et lisses et qui ne sont pas sujettes à un rétrécissement excessif. Il a d'excellentes propriétés adhésives, mais comme il est "plus collant" que la plupart, l'agglutination au niveau de la buse de l'extrudeuse peut causer plus de problèmes que les autres polymères.

Et parce qu'il peut être stérilisé, il est considéré comme le plastique parfait pour les emballages alimentaires.

Bien qu'il en existe de nombreux types, l'impression 3D de résine fait référence à tout processus dans lequel le liquide d'un petit réservoir est envoyé à l'extrudeuse pour être chauffé ou durci pour sécher, également appelé "polymérisation en cuve". La résine liquide est un photopolymère, ce qui signifie qu'elle réagit/se solidifie lorsqu'elle est exposée à la lumière, et il en existe plusieurs variétés.

Les résines transparentes sont utilisées pour les petits objets nécessitant des surfaces ou des finitions très détaillées. Incolores, transparents, légers, lisses et résistants à l'eau, ils sont parfaits pour les produits qui seront poncés ou peints en post-traitement.

La plupart des pièces imprimées en 3D en résine nécessitent une sorte de nettoyage pour éliminer les bords errants ou les dépôts en excès, un processus généralement effectué avec des solutions d'alcool. Les résines lavables n'ont pas besoin de tels traitements chimiques - vous pouvez les post-traiter avec de l'eau pour une finition lisse.

Utilisées lorsque votre produit final doit reprendre sa forme d'origine après flexion ou compression, ces résines caoutchouteuses sont parfaites pour les prototypes de poignées, d'amortisseurs ou de pièces qui doivent résister à une torsion ou une flexion soutenue.

Les résines sont les mieux adaptées aux pièces esthétiques et aux prototypes non fonctionnels, et il existe trois principaux types de photopolymérisation qui les créent.

Les miroirs sont utilisés pour diriger un ou plusieurs faisceaux laser sur la résine lorsqu'elle est déposée sur le lit de l'imprimante, durcissant l'objet à chaque nouvelle couche appliquée.

Un flash de lumière durcit ou fixe une couche entière en une seule fois, dirigée vers la surface de construction par un réseau de minuscules miroirs.

Tout comme en stéréolithographie, sauf qu'une source de lumière brille à travers un écran LCD qui contient un masque de la couche unique afin que la lumière ne puisse durcir que cette couche à chaque étape.

La discussion sur l'impression 3D va aujourd'hui bien au-delà des polymères, et c'est en fait le cas pour toute l'histoire de la fabrication additive : les premiers mouvements dans le domaine concernaient la fabrication métallique.

Aujourd'hui, de nombreux matériaux qui n'ont été utilisés que dans la fabrication traditionnelle sont en cours de développement actif pour le monde de l'impression 3D.

L'une des superpuissances de l'impression 3D est les composites, qui peuvent être utilisés pour imiter des matériaux comme le marbre, la céramique et le bois (bien que ce ne soit pas un grand pas en avant pour imaginer un mystérieux processus de demain qui durcit instantanément la pâte de bois chauffée).

Les filaments de bois pour l'impression 3D sont composés d'environ 70 % de PLA, dont 30 % proviennent de sciure de bois ou de fibres de bois similaires.

L'avantage évident est que le produit final ressemble, se sent et même sent le bois plutôt que le plastique. Il est idéal pour les utilisations esthétiques et est également moins fragile que la résine PLA seule.

Tout comme dans la fabrication traditionnelle, la fibre de carbone est extrêmement solide mais beaucoup plus légère avec les mêmes performances, ce qui en fait une manne céleste pour les industries de l'automobile, de l'aviation, de l'aérospatiale et de la course.

Le carbone ne fond pas avant environ 3 600 degrés Celsius, il est donc principalement hors de portée du marché des consommateurs et des prosommateurs. Il ne rétrécit pas lorsqu'il refroidit, ce qui signifie que votre calque façonné sera plus proche de votre sortie finale. Les filaments en fibre de carbone nécessitent également une manipulation plus spécialisée, mais ils ont les moyens de perturber gravement les chaînes d'approvisionnement en acier et en fer.

Le métal est plus difficile à travailler. Il doit être chauffé à une température beaucoup plus élevée ou forcé à travers une extrudeuse d'imprimante 3D à une force beaucoup plus forte sous forme de poudre. Mais c'est toujours beaucoup plus sain pour le personnel de l'usine et l'environnement que les fonderies énormes, chaudes, sales, malodorantes et dangereuses.

Il y a des mesures pour rendre le processus plus abordable et démocratisé, et au lieu de l'infrastructure volumineuse des moules en silicone et du fer fondu incandescent, vous pouvez rapidement vous rééquiper pour des pièces à faible volume ou spécialisées.

Il y a aussi des économies de coûts et de volume à réaliser. Par exemple, la NASA a utilisé la fabrication additive pour fabriquer une pompe à carburant de fusée avec environ la moitié des pièces des méthodes traditionnelles.

Dans les soins de santé, le métal est un matériau idéal pour remplacer les os ou les articulations qui doivent résister aux effets corrosifs à l'intérieur du corps humain. Et pour orner l'extérieur du corps, le métal permet aux designers et aux clients de créer des bijoux uniques imprimés en 3D.

En ce qui concerne la nouvelle génération de matériaux imprimés en 3D, le besoin le plus urgent pourrait être celui des matériaux de construction.

La possibilité de construire une maison imprimée en 3D, qui a été réalisée en Russie pour moins de 11 000 dollars en 24 heures par une entreprise de Boston, présente des avantages évidents par rapport aux techniques de construction traditionnelles, mais il y a bien plus que cela.

À l'échelle mondiale, la construction est responsable de 23 % de la pollution de l'air, 40 % de la pollution de l'eau potable, 50 % des décharges et 40 % des émissions de gaz à effet de serre.

Les habitations imprimées en 3D permettent d'économiser de l'argent et du temps, ce qui permettra d'obtenir des logements d'urgence ou à faible coût de meilleure qualité. Il sera également beaucoup moins nécessaire de transporter des matériaux sur les sites et de transporter des déchets, ce qui rendra la construction encore plus durable.

En fait, la construction additive sur site a même été suggérée comme la voie la plus probable vers l'exploration et la colonisation extraplanétaires.

De nombreuses technologies ont un point final bleu ciel, et le cheminement vers ce point peut apporter des avantages supplémentaires à la société. L'impression 3D n'est pas différente.

Considérez l'avenir de la fabrication soustractive dans un monde où la science des matériaux est pleinement développée, où la technologie de fabrication additive se déploie de la plus petite unité de bureau à des géants de la taille de hangars d'avions. Imaginez un ratio de fabrication mondial de 1:1 à l'échelle de l'industrie, les matériaux nécessaires n'excédant plus les matériaux utilisés, signalant la fin des déchets de fabrication.

Les systèmes de recyclage actuels sont loin d'être parfaits et le transport des sous-produits ne fait qu'ajouter au fardeau des émissions de carbone. Il semble bien préférable de les éliminer à la source où ils sont créés.

Il s'agit également de prototyper de manière beaucoup plus rentable. Ajuster un modèle numérique et envoyer une nouvelle version à une imprimante 3D 1 000 fois est toujours plus rapide et moins cher que de faire tourner tout un flux de production en direct juste pour perfectionner une seule pièce de test.

De plus, il permet un tout nouveau paradigme de consommation de personnalisation et d'impression à la demande, capable de créer de nouvelles géométries audacieuses, extravagantes ou innovantes.

La fabrication soustractive par tours ou fraiseuses est excellente pour faire beaucoup d'une chose relativement simple. Mais, tout comme elle s'applique au prototypage rapide, l'impression 3D offre la possibilité de réorganiser sans cesse une conception pour créer un seul objet au même prix unitaire que 10 000 d'entre eux.

Et parce qu'elle ajoute de la matière au lieu de la soustraire, l'impression 3D peut créer des formes indéfiniment variables et inhabituelles qui ne peuvent pas être obtenues avec les machines-outils CNC les plus précises. C'est particulièrement le cas lorsque vous ajoutez des concepts tels que la conception générative, qui peuvent retirer une grande partie de la lourde charge informatique de la conception des mains humaines.

Et, enfin, cela vous donne un délai de mise sur le marché beaucoup plus rapide, que vous prototypiez dans un petit studio de manière beaucoup plus réactive que dans un environnement de production majeur ou que vous construisiez des habitations confortables en quelques jours pour aider les familles sans logement suite à une catastrophe naturelle.

En raison des capacités et des progrès des matériaux, l'impression 3D a déjà changé à jamais plusieurs industries.

Dans la fabrication, il ne s'agit pas d'utiliser des méthodes soustractives ou additives. Une entreprise de design londonienne déploie déjà un énorme outil de fabrication additive dans des environnements d'usine traditionnels pour créer un modèle hybride.

Cela élargit également les possibilités de ce qui peut être fait. Les soins de santé en sont un excellent exemple, où la peau fabriquée de manière additive, les os et les articulations en titane et même les vaisseaux sanguins comptent parmi les innovations.

Les innovations en matière de construction sont encore plus avancées et ont un grand potentiel pour changer l'industrie. Les pratiques additives sont déjà suffisamment établies pour que les appels réglementent correctement le domaine avec des codes du bâtiment pertinents et mis à jour.

Pour bénéficier au bien social, vous pouvez commencer par le fait que les logements sont chers. Beaucoup de gens ne peuvent tout simplement pas se le permettre, donc s'il est possible de construire une maison en une seule journée pour le prix d'une voiture d'occasion décente, cela pourrait aider à sortir des dizaines de millions de personnes de la pauvreté.

La fabrication additive offre également des efficacités que la construction ordinaire n'offre pas. Les logements sont normalement construits selon un processus linéaire : ériger la charpente, poser des briques, appliquer des fermes de toit, tout en préparant le projet pour que les vitriers et les plombiers y travaillent plus tard.

Mais dès 2016, une méthode additive multi-matériaux unique élargissait les capacités de l'impression 3D. En supposant que la science puisse fonctionner avec n'importe quel matériau possible, imaginez un avenir où une imprimante peut fonctionner sur le mur d'une maison avec câblage électrique, tuyauterie de climatisation, vitres et peinture en une seule étape ?

La technologie additive semble encore futuriste pour beaucoup, mais vous seriez surpris de voir combien de vos produits préférés utilisent déjà l'impression 3D. Et c'est avant de discuter des matériaux futuristes qui pourraient un jour entrer dans votre maison à grande échelle lorsque la fabrication additive peut les utiliser efficacement.

Tout comme les pionniers des générations passées ont ouvert de nouvelles voies pour la fabrication additive avec du bois, du métal et bien plus encore, il y a aujourd'hui un bricoleur quelque part dans un garage qui fait la même chose avec l'aérogel, le graphène, les nanotubes de carbone, les tissus intégrés à l'électronique ou toute autre substance qui deviendra monnaie courante dans les années à venir.

Cet article a été mis à jour. Il a été initialement publié en novembre 2014. Jeff Yoders a contribué à cet article.

Après avoir grandi en sachant qu'il voulait changer le monde, Drew Turney s'est rendu compte qu'il était plus facile d'écrire sur d'autres personnes qui le changeaient à la place. Il écrit sur la technologie, le cinéma, la science, les livres, etc.

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