Du solide au liquide ou fusion

La fusion est le passage d’un corps de l’état solide à l’état liquide. Pour un corps pur constitué d’atomes et de molécules, cette transformation se fait à température constante, c’est-à-dire à un point de fusion propre à chaque matériau. Ce dernier est assez indépendant de la pression, contrairement à l’ébullition par exemple. Pour un mélange de corps pur, la fusion se fait sur une plage de température liée à la proportion des matériaux utilisés. Au niveau moléculaire, on passe d’une disposition compacte et ordonnée, c’est-à-dire que les molécules sont très proches, occupent un faible espace et une place libre à l’état solide, à un ensemble toujours compacte mais désordonné à l’état liquide.

L’impression par dépôt de matière fondue

Le dépôt de matière fondue ou FDM (Fused Deposition Modeling), principale technologie de l’impression 3D

Le dépôt de matière fondue est la principale technologie utilisée par les imprimantes 3D. Plus connue sous le nom de Fused Deposition Modeling, elle a été créée par Stratasys en 1988 et est le deuxième procédé le plus ancien après la stéréolithographie. Cette technique est utilisée par la plupart des imprimantes 3D personnelles pour son prix de vente relativement peu chère. Elle fonctionne par dépôt successif de filament de matière. La machine chauffe jusqu’à environ 200° C, permettant la fusion de la matière contenue dans une buse d’extrusion. Cette buse se déplace ensuite sur deux ou trois des axes et dépose un fil de matière d’un diamètre d’environ 0,2 millimètre d’épaisseur sur une plateforme qui se déplace sur le dernier axe. La plateforme descend ou la buse monte à chaque nouvelle couche, très fine et d’environ 0,04 à 0,2 millimètres, appliquée pour former l’objet. L’imprimante peut posséder plusieurs têtes d’impressions, permettant ainsi une gamme de couleurs plus étendue, des formes plus complexes.

Cette technique utilise tous types de thermoplastiques, ou des matières plus originales telles que la pierre, le bois, ou de l’alimentaire. Elle peut donc s’appliquer dans de nombreux domaines tels que l’aérospatiale (utilise en général de l’ULTEM 9085 pour sa très grande résistance au feu), l’automobile, l’architecture, la décoration, mais aussi la médecine et la cuisine en remplaçant les têtes d’impression par des seringues déposant des cellules ou des aliments. Pour l’étape de finition, un simple passage sous une solution d’hydroxyde de sodium permet de dissoudre les structures provisoires solubles à l’eau. L’avantage de la FDM est donc sa simplicité d’utilisation et sa diversité. C’est également une technique plutôt rapide mais parfois imprécise, et le filament peut être difficile à maîtriser dans certains cas.

L’impression par liage de poudre

Le frittage sélectif par laser ou SLS (Selective Laser Sintering), une technique rapide et économe

Le frittage sélectif a été élaboré par un étudiant américain en 1980, mais commercialisé bien plus tard. Cette technique d’impression utilise un faisceau laser puissant qui projette de la chaleur sur une poudre d’environ 1 millimètre d’épaisseur. Cette chaleur va faire fondre la poudre et permettre sa fusion à des points définis par le fichier modélisé. Une nouvelle couche est ensuite ajoutée par un rouleau et durcie par le laser avant d’être reliée à la première. Le processus continue jusqu’à obtenir l’objet réalisé sur ordinateur. La pièce doit ensuite être retirée du bac de poudre et nettoyée afin de retirer l’excédent de poudre non fusionné. Les matériaux sont donc poudreux, et peuvent être de natures assez diverses et rares pour l’impression 3D, comme le plastique, la céramique, le verre ou le métal. Pour le dernier, on parle alors de Direct Metal Laser Sintering ou DMLS, qui utilise une poudre faite de particules de métaux divers et est largement utilisée dans les domaines de l’aérospatial, de la mécanique ou encore du médical. La poudre est de couleur blanche mais peut être colorée après impression. Beaucoup d’imprimantes utilisent cependant plusieurs composant à la fois, du moments que la poudre reste uniforme. Les couches imprimées sont de l’ordre de 50 micromètres, 20 pour la DMLS, et la précision du frittage est de 0,1 millimètre, soit un peu moins que la SLA.

Cette technologie s’adapte donc aux besoins de l’utilisateur et est largement utilisée dans les domaines de l’aérospatial, de l’automobile et du médical (pour les implants dentaires) et plus globalement pour le prototypage et la fabrication d’outillage. C’est également une technique très économe puisque la poudre non fusionnée peut être réutilisée par la suite. La surface est cependant assez rugueuse et l’objet peut nécessiter un ponçage.

3DP ou Three-Dimensional Printing, un contrôle sur l’impression

La 3DP, couramment appelée liage de poudre, a été développée en 1993 à l’Institut of Technology aux Etats-Unis. L’imprimante est composée de deux réservoirs, l’un contenant la matière d’impression sous forme de poudre et l’autre, vide au début, sur laquelle se formera l’objet couche par couche en s’abaissant. Une couche de poudre est déposée par un cylindre balayeur sur la plateforme et est solidifiée par un liant. Des gouttes de colles colorées sont extraites d’une tête d’impression. En interposant poudre et colle, un objet pouvant présenter une large gamme de couleurs est créé. Cette méthode ne nécessitant pas un support, l’objet peut être de forme complexe, bien que l’étape de finition soit obligatoire pour retirer le surplus de poudre.

L’avantage de cette technique réside en le contrôle que possède l’utilisateur sur l’impression : il peut choisir la composition des matériaux, la texture de la surface, les couleurs car elle est compatible avec de nombreux matériaux, tels que la céramique, le métal, les polymères, les composites. Des matériaux liquides ou mous peuvent aussi être utilisés grâce aux têtes d’impressions. Les objets sont cependant plus rugueux et moins solides que ceux imprimés par SLA ou DLP par exemple.

La E-Beam ou Electron Beam Melting, une technique avancée basée sur l’utilisation d’électrons

Plus communément appelée impression par fusion de faisceau d’électrons, cette méthode a été développée par la société suédoise Arcam en 1997. Elle ressemble beaucoup au frittage sélectif par laser, plus particulièrement à la DMLS, car elle utilise la fusion de poudre de métal : de la poudre est stockée dans un réservoir avant d’être versée par couches et fondues aux endroits souhaités pour former l’objet. La différence réside en un faisceau à électrons au lieu d’un faisceau laser. Un filament de tungstène, un élément chimique, est chauffé sous vide et libère des électrons, particules chargées négativement d’un atome. Ils sont contrôlés par des électroaimants et projetés sur les particules de poudre à grande vitesse afin de les chauffer. La précision de cette méthode égale presque les techniques traditionnelles de fabrication d’un objet (usinage), ce qui explique son utilisation dans les industries biomédicale, aéronautique et du sport. Ce processus apporte donc une meilleure précision dans l’impression.

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