Technologie d'impression 3D et équipement de production de matériaux

L'impression 3D, apparue dans les années 1990, permet, grâce à son principe de fabrication par dépôt de couches successives, la production rapide et intégrée de pièces complexes. Elle est considérée comme une technologie révolutionnaire dans le domaine industriel. Dans le jargon académique, l'impression 3D est connue sous le nom de prototypage rapide (PR). La branche technique de ce procédé de fabrication est appelée fabrication additive (FA).

Principe de l'impression 3D

L'impression 3D est une technique de prototypage rapide. Elle utilise un modèle numérique, composé de poudres métalliques ou plastiques et d'autres matériaux adhésifs, pour construire un objet par impression couche par couche. Son principe de base repose sur l'accumulation discrète. Le chemin, les limites et le mode d'accumulation sont définis de manière discrète, et la matière est « superposée » pour former une entité tridimensionnelle. Premièrement, le modèle 3D est obtenu à l'aide d'un logiciel de CAO ou les données de surface de la pièce sont mesurées et converties en un modèle 3D. Deuxièmement, le modèle CAO est traité et discrétisé selon une direction (généralement l'axe Z), puis les plans sont stratifiés. Les informations de stratification sont ensuite combinées aux paramètres de formage pour générer le code de commande numérique de la machine de formage. Un système FAO dédié, contrôlant la matière de manière régulière et précise, forme ainsi une pièce 3D solide.

Préparation de poudre pour impression 3D métal

En raison des exigences élevées de la technologie d'impression 3D métal concernant les poudres métalliques, il est nécessaire de respecter des critères de sphéricité, de granulométrie étroite, de faible teneur en oxygène et de haute pureté. Par conséquent, les équipements de production de ces poudres sont soumis à des exigences accrues. Il existe principalement trois technologies de préparation de poudres pour l'impression 3D métal : l'atomisation à l'air comprimé, l'atomisation par plasma et la nodulisation par plasma radiofréquence.

Parmi ces équipements, le système de production de poudre par atomisation à air véritable de Hunan Tianji repose sur une technologie de pointe : un atomiseur à gaz supersonique à couplage étroit. Ce système améliore le taux de conformité de la poudre, réduit la consommation d'air et les coûts de production. De plus, il est doté d'un système de détection en ligne de la teneur en oxygène afin de limiter son augmentation, ce qui en fait un outil performant pour la production de poudre sphérique destinée à l'impression 3D.

L'impression 3D, également appelée fabrication additive, est un terme générique qui englobe plusieurs procédés d'impression 3D distincts. Bien que très différentes, ces technologies reposent sur des processus clés similaires. Par exemple, toute impression 3D commence par un modèle numérique, car la technologie est par nature numérique. Une pièce ou un produit est initialement conçu à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) ou d'un fichier électronique provenant d'une bibliothèque de pièces numériques. Le fichier de conception est ensuite décomposé en tranches ou couches pour l'impression 3D par un logiciel de préparation de fabrication spécifique, générant ainsi les instructions de trajectoire que l'imprimante 3D devra suivre. Vous découvrirez ensuite les différences entre ces technologies et leurs applications typiques.

Les types de fabrication additive peuvent être divisés selon les produits qu'ils produisent ou les types de matériaux qu'ils utilisent, l'Organisation internationale de normalisation (ISO) les classant en sept types généraux (mais ces sept catégories d'impression 3D peinent également à couvrir le nombre croissant de sous-types technologiques et de technologies hybrides).

● Extrusion de matériaux

● Polymérisation par réduction

● Fusion sur lit de poudre

● Injection de matière

● Spray adhésif

● Dépôt d'énergie dirigé

● Plastification de feuilles

Classification de l'impression 3D

La stéréolithographie (SLA) , également appelée stéréolithographie, repose sur le principe de la photopolymérisation de résines photosensibles liquides. Sous l'effet d'un rayonnement ultraviolet d'une longueur d'onde et d'une intensité spécifiques, le matériau liquide se photopolymérise rapidement et passe de l'état liquide à l'état solide. Le réservoir est rempli de résine photosensible liquide. Un faisceau laser, dévié par un miroir, balaie la surface du liquide, et la résine durcit aux endroits balayés. Une fois chaque couche balayée, les zones non éclairées restent liquides. La plateforme élévatrice abaisse le plateau, déposant ainsi une nouvelle couche de résine. Un racleur lisse la surface de la résine, très visqueuse, avant de balayer la couche suivante. Chaque couche durcie adhère fermement à la précédente, et ainsi de suite jusqu'à la fabrication de la pièce complète, permettant d'obtenir un modèle 3D.

La technologie de fabrication additive (LOM) consiste à former des pièces par découpe laser et collage de matériaux minces (comme du papier couché au verso), également appelée fabrication additive stratifiée. Le procédé consiste d'abord à coller le papier couché à chaud par pression à l'aide d'un rouleau chauffant. Ce papier est ensuite positionné au-dessus du laser, selon les données du modèle CAO stratifié. Une couche de papier est découpée en suivant les contours interne et externe de la pièce, puis une nouvelle couche est superposée et collée à chaud. Enfin, une nouvelle découpe laser est effectuée. Cette méthode se caractérise par une cadence de production élevée et un faible coût.

Le frittage laser sélectif (SLS) consiste à chauffer sélectivement, couche par couche, des poudres fusibles ou non métalliques (telles que la paraffine, le plastique, le sable résineux, le nylon, etc.) à l'aide d'un faisceau laser afin d'atteindre la température de frittage et de les solidifier. Une fois la première couche frittée, la table de travail s'abaisse pour déposer la couche suivante, étale la poudre correspondante, puis effectue un balayage. La couche nouvellement frittée se lie fermement à la précédente, et ainsi de suite, pour finalement obtenir un objet tridimensionnel fritté correspondant au modèle CAO.

Le principe de base du procédé FDM consiste à contrôler le déplacement de la buse de chauffe dans les plans XY et selon l'axe Z, en fonction du profil de la section transversale. Le matériau (fil, par exemple, fil de plastique ou de paraffine) est acheminé vers la buse par un système d'alimentation, chauffé et fondu, puis déposé sélectivement sur la table de travail. Après refroidissement rapide, il forme une couche reproduisant le contour de la section transversale. La superposition de ces couches permet d'obtenir un prototype rapide. Ce procédé de moulage peut être utilisé pour la fabrication de moules en cire destinés à la fonderie de précision et de moules femelles pour le moulage. Il constitue une méthode efficace pour le développement de la microfabrication.

Opportunités et défis

Actuellement, l'industrie de l'impression 3D se concentre sur l'aérospatiale, l'automobile, les équipements médicaux et d'autres domaines. Son ampleur et son niveau technique ne cessent de croître. Des politiques de soutien pertinentes, notamment d'importants investissements en recherche et développement, des subventions à l'innovation et des mesures incitatives, ont favorisé son développement. Parallèlement, l'industrie de l'impression 3D est confrontée à de nombreux défis, tels que les limitations liées aux matériaux et à la mécanique, ainsi que les coûts. L'industrie de la fabrication additive se situe au carrefour de l'innovation et de la transformation économique, et son avenir recèle de nombreux défis et opportunités.