Dimanche 1er juin 2014 à 8:18

     Des correspondants m’ont demandé comment fonctionnaient les « imprimantes 3D ». Je vais essayer de vous l’expliquer le plus simplement possible en deux articles.

    L’impression « 3D » est un ensemble de techniques dans lesquelles la fabrication d’objets n’est pas réalisée par moulage ou par enlèvement de matière d’un bloc (usinage), mais par un apport de matière progressif, couche par couches, ces couches étant très fines.
    Le terme « d’impression » est donc trompeur. Certes on dépose les diverses couches comme on dépose de l’encre en couche très fine sur du papier, mais les machines sont très différentes des imprimantes de texte.
    Le matériau de base, qui peut être du plastique, du métal, du sable, etc., est déposé (ou non) par une « tête d’impression » sur un plateau horizontal. À chaque balayage horizontal de la tête d'impression, une couche est ainsi formée. Un déplacement vertical de la tête ou du plateau permet alors de passer à la couche suivante.
    L’objet est ainsi fabriqué couche par couche, avec des pertes de matière minimes, et la possibilité de réaliser des formes inaccessibles aux procédés habituels.
    Aujourd’hui, je parlerai de techniques simples, qui peuvent être utilisées par des particuliers et demain de machines à caractère industriel, beaucoup plus chères et complexes à mettre en œuvre.

    La première chose à savoir est que l’imprimante 3D n’invente pas une pièce, elle la reproduit à partir d’un modèle numérique. Si vous voulez faire une pièce donnée, il faut en posséder un dessin « 3D », c’est à dire une description numérique de la pièce, qui consiste à avoir toutes les coordonnées x,y,z des point de la pièce dans un espace à 3 dimensions.
    La machine va successivement se positionner sur toutes les hauteurs z et déposera de la matière sur tous les points de coordonnées x,y, pour chaque hauteur particulière. Peu à peu, la pièce sera ainsi construite, plan par plan horizontal, et sera terminée quand le dernier plan de hauteur maximale sera déposé.
   
Alors comment avoir cette description 3D de la pièce.?

    Plusieurs cas :
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/scanner3D.jpg         - la pièce est étudiée et conçue par un bureau d’étude à partir d’un logiciel de dessin 3D. L’ordinateur décrit alors la pièce par cet ensemble de coordonnées x,y,z, et il suffit alors que ces données soient écrites sous un format lisible par l’imprimante. Ce format s’appelle STL (Standard Tessellation Language).
        - on possède une pièce qu’on veut reproduire. On peut alors numériser sa forme grâce à un « scanner 3D » dont vous voyez une photo ci contre (empruntée à la revue « pour la Science »). Les caméras du scanner parcourent l’espace autour de l’objet, exactement comme lorsqu’on vous fait un scanner lmédical d’un organe, et le logiciel associé calcule à partir des données visuelles recueillies, tous les x,y des points de la pièces pour chaque hauteur z. Ce fichier est alors utilisable par l’imprimante. Mais ces scanners sont relativement très chers.
        - pour certaines pièces simples, des logiciels de déssin 3D gratuit ou peu onéreux existent, permettant de les décrire numériquement. J’en ai utilisé et ce n’est quand même pas évident pour quelqu’un qui n’aurait jamais fait de dessin industriel.

    Supposons donc que la machine ait reçu une description numérique de votre pièce; comment va t’elle faire ?
    Je vais décrire ici le processus d’une imprimante simple d’utilisation compacte, facile à réparer et bon marché, souvent proposées en kit à monter soi-même, mais évidemment moins précise, qui va réaliser des pièces en plastique. Elle fonctionne en déposant du plastique (acrylonitrile butadiène styrène ou de l’acide polvlactique) à partir d’un filament préalablement fondu dans une tête d’extrusion chauffante.(un peu comme dans les pistolets à colle).
    La tête se déplace horizontalement et dépose une première couche de l'objet désiré sur le plateau d'impression. Un déplacement vertical permet de passer à la seconde couche et ainsi de suite.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/3Dfilament.jpg

    La qualité d'une impression 3D dépend de deux principaux paramètres :
        - la résolution horizontale s’exprime, comme pour une imprimante de textes ou photos,en nombre de points par pouce (dpi) et correspond au nombre de particules de matière que la machine est capable de déposer par unité de surface.
        - la résolution verticale est l'épaisseur de couche, mesurée en micromètres ou en millimètres.
    Les pièces sont réalisées avec une précision de l’ordre de quelques dixièmes de mm avec ces imprimante à fil plastique, et dans un temps très court, (croissance de plusieurs centimètres par heure dans la direction verticale.
    Une telle imprimante est relativement bon marché, entre 300 et 500 € et les prix baisseront peu à peu.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/3Dbonmarche.jpg     Je connais plusieurs personnes qui avaient cassé une pièce qu’on ne trouvait pas dans le commerce, car appartenant à une machine qui n’était plus construite, et qui ont ainsi réalisé des pièces très satisfaisantes, le problème principal étant d’avoir le fichier numérique de définition.
    Les laboratoires de recherche scientifique utilisent  souvent des pièces et matériels spécifiques, produits à l’unité ou en petites quantités et qui reviennent donc à des prix assez élevés, et beaucoup d’entre eux peuvent être fabriqués en impression 3D. Acheter une telle imprimante permet alors aux laboratoires à la fois de réaliser ces pièces à des coûts inférieurs et d'avoir du matériel bien adapté à leurs besoins.
    L’image ci contre montre une imprimante qui date de quelques années, les premières étant apparues vers 1985.

    Demain je vous décrirai d’autres types d’imprimantes, plus industrielles, plus chères mais plus précises.
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