Imprimante 3D

Comparée aux imprimantes classiques (2D) avec les technologies laser, jet d’encre ou à sublimation thermique, l’imprimante 3D se révèle être une véritable révolution dans le domaine de l’impression. On parle aussi de technologie disruptive ou additive.

Qu’est-ce qu’une imprimante 3D ?

L’imprimante 3D ou tridimensionnelle permet de réaliser des objets réels en 3 dimensions, à partir d’un fichier conçu grâce à un logiciel de 3D.

Les objets obtenus sont de natures diverses : des maquettes, des pièces détachées, des modèles réduits, etc.

La dimension maximale des objets produits par ce type d’imprimante 3D grand public est environ de 30 × 30 × 30 cm.

Pour schématiser une imprimante 3D et faire le parallèle avec une imprimante classique 2D :

• L’imprimante 3D contient et utilise des buses, tout comme l’imprimante jet d’encre a des têtes d’impression.
• Le matériau utilisé par l’imprimante 3D peut être comparé au consommable, l’encre, des imprimantes jet d’encre.
• L’imprimante 3D « imprime » plusieurs couches, couche après couche, quand l’imprimante classique peut imprimer une feuille après l’autre.
• Dans le procédé de fabrication 3D on superpose les différentes couches, comme on pourrait superposer les feuilles imprimées en 2D.
• Enfin, il faut coller et solidifier la superposition ainsi obtenue : l’objet en 3D.

Le relief est créé par l’addition de couches de matériau, on parle de fabrication additive ; pour les imprimantes 2D, il s’agit de l’application d’une seule couche d’encre.

Si elles ont toutes le même principe de fonctionnement, les imprimantes 3D n’utilisent pas toutes la même technologie ; de même le matériau utilisé varie selon la technologie employée.

Les technologies de l’imprimante 3D

Il existe 3 technologies principales, aussi appelées procédés (d’impression, de fabrication), pour les imprimantes 3D :

• Le dépôt de matière en fusion (liquide) : aussi appelé FDM (Fused Deposition Modeling), c’est le procédé le plus courant pour les imprimantes 3D grand public ; les matériaux utilisés sont des fils ou filaments de matières plastiques (souvent du PLA ou ABS).
• La solidification par lumière, aussi appelée SLA (StereoLithography Apparatus). Le matériau utilisé est de la résine liquide.
• L’agglomération par collage, aussi appelée SLS (Selective Laser Sintering). Les matériaux utilisés sont des poudres (principalement : métal, polyamide, céramique et verre).

Il existe d’autres procédés, mais beaucoup moins répandus et surtout réservés au milieu professionnel.

Fonctionnement de l’imprimante 3D

Le principe de fonctionnement

Grâce à son logiciel interne, aussi appelé « firmware  », l’imprimante 3D interprète les instructions qu’on lui donne pour réaliser l’objet 3D.

1. La découpe de l’objet virtuel tridimensionnel en lamelles 2D de très fine épaisseur.
2. La superposition des couches ou lamelles extrafines, les unes sur les autres : cette étape se fait différemment selon la technologie et le matériau utilisés :
   • Par procédé FDM : dépôt des fils ou filaments extrafins (environ un 10e de millimètre) de plastiques en fusion (à environ 200 °C), par une buse ;
   • Par procédé SLA : solidification d’un liquide photosensible (une résine) grâce à un rayon laser ultraviolet ;
   • Par procédé SLS : assemblage et collage du matériau en poudre (métal, polyamide, céramique, etc.) frappé par un rayon laser.
3. La reconstitution de l’objet réel.

Les outils nécessaires

Pour réaliser tout le processus de réalisation d’un objet 3D, en plus de l’imprimante 3D, il faut des outils ou équipements.

Le matériau : c’est le consommable de l’imprimante 3D. Au départ, il s’agissait exclusivement des matières plastiques. Avec le développement des différents procédés d’impression, les matériaux sont de plus en plus nombreux ; ils sont choisis en fonction de leurs propriétés (photosensibles, température de fusion autour de 200 °C ou matériau sous forme de poudre, etc).

La liste des matériaux possibles évolue régulièrement ; on y trouve les matières plastiques (souvent du PLA ou ABS), des métaux, de la résine, du verre, de la céramique, etc.

L’ordinateur et les logiciels : c’est l’outil essentiel sur la première phase de réalisation (la conception de l’objet à imprimer en plans 3D), mais aussi pour communiquer et contrôler l’imprimante 3D.

Les logiciels permettent :

• De concevoir l’objet : on obtient alors des plans 3D ; ce sont des fichiers 3D (extension FTL ou OBJ) ;
• De lire les plans réalisés : souvent par un logiciel de découpe (ou slicing) pour décomposer le fichier 3D en une multitude de fichiers 2D superposés ; on parle aussi de convertir les plans ou fichiers 3D en plans ou fichiers 2D ;
• Enfin de piloter l’imprimante 3D pour la réalisation de l’objet 3D ; par câble USB, par Wi-Fi ou par une carte mémoire (carte SD).

Il existe des modèles d’objets 3D (des fichiers ou plans 3D) déjà disponibles qui vous permettent de les réaliser sans avoir à les dessiner ou à les concevoir. Ils sont accessibles sur des sites tels que : Thingiverse, Sculpteo ou Shapeways.

Caractéristiques de l’imprimante 3D

Tout comme pour les imprimantes classiques (2D), les imprimantes 3D ont des caractéristiques qui vous guident pour faire votre choix d’imprimante.

La qualité et la vitesse d’impression

Aussi appelée résolution ou précision, la qualité d’impression s’exprime en mm (millimètres) ou μm (microns). On distingue la précision liée à la couche de matériau et la précision liée au positionnement de la buse dans le cas du procédé FDM.

La résolution de positionnement est souvent donnée sur les 2 axes : en horizontal (XY) et en vertical (Z) ; l’ordre de grandeur est de quelques dizaines de microns en XY et sous les 10 microns en Z.

La résolution de positionnement ou résolution de la couche est de l’ordre de centaines de microns.

La vitesse d’impression, aussi appelée vitesse de fabrication, s’exprime en mm/s. Elle est souvent de l’ordre de 100 mm/s.

La consommation

La consommation s’exprime en watts (W). Elle varie beaucoup selon le procédé utilisé. De 50 W à plusieurs centaines de watts en fonctionnement (certaines fiches produit parlent de « haut rendement »). Certaines imprimantes 3D de petit volume peuvent ne consommer que 20 W environ en fonctionnement. Contrairement aux imprimantes classiques, même en veille, la consommation peut être importante : plus de 10 W pour certaines.

L’ergonomie

L’ergonomie est un critère également essentiel car le poids et l’encombrement peuvent être très importants, même pour des machines destinées au grand public. D’autre part, les dimensions de l’imprimante 3D limitent la taille maximale de l’objet 3D à réaliser. Les imprimantes 3D pèsent souvent autour de 15 kg ou plus. Pour avoir un ordre d’idée de leur encombrement, considérez que beaucoup d’imprimantes 3D ont un volume d’environ 50 × 50 × 50 cm.

Enfin, sachez que la plupart des imprimantes 3D sont bruyantes, avec un bruit souvent supérieur à 50 dB. Et pour certaines, elles ne sont pas beaucoup moins bruyantes en veille !

Les interfaces

• L’imprimante 3D communique avec l’extérieur (l’ordinateur) par câble USB, par Wi-Fi ou par carte mémoire (carte SD principalement).
• L’écran, souvent tactile, de l’imprimante 3D est essentiel car c’est l’interface avec vous, l’utilisateur. Par l’écran, vous pouvez paramétrer, contrôler et piloter l’imprimante 3D.
• Les logiciels d’impression 3D ; ce sont eux qui interprètent le besoin issu des plans 3D, et qui vous permettent de paramétrer, contrôler et piloter l’imprimante 3D.

Des applications professionnelles de l’imprimante 3D

À cause du prix élevé de ses débuts, l’imprimante 3D a d’abord évolué dans les milieux professionnels et de la recherche.

Certains domaines les ont déjà adoptées et les utilisent régulièrement avec des résultats (qualité, prix de revient, etc.) très satisfaisants.

Vous trouverez ci-dessous quelques exemples de domaines d’applications de l’imprimante 3D dans le milieu professionnel :

• Par l’utilisation de plastiques comme matériau, le procédé FDM permet de produire des pièces fonctionnelles : ce procédé a des applications directes pour le modélisme, le bricolage, la décoration, etc.
• Avec l’utilisation de la résine comme matériau, le milieu de la bijouterie, et surtout le milieu dentaire se sont emparés du procédé SLA de l’imprimante 3D.
• Les métaux manipulés par le procédé SLS permettent d’obtenir des pièces métalliques fonctionnelles pour le milieu industriel.

Les applications qui en découlent sont aussi différentes que variées : maquettes, prototypes, moules, bijoux, prothèses, couronnes, accessoires personnalisés, pièces détachées, etc.

Prix de l’imprimante 3D

L’imprimante 3D a longtemps été réservée à l’industrie pour un usage exclusivement professionnel (principalement pour l’élaboration de prototypes). Jusqu’au début des années 2010, son premier prix était aux alentours de 7 000 €, et pouvait facilement dépasser les 300 000 € !

Les progrès techniques ne cessent d’augmenter les possibilités et la qualité d’impression, ainsi les premiers prix pour une approche plus domestique de l’imprimante 3D ont baissé.

Les premiers prix des imprimantes 3D sont à partir de 400 €, ils correspondent souvent à des imprimantes de petit volume.

La majorité des imprimantes 3D se situent dans ce que l’on peut appeler la moyenne gamme, pour des prix compris entre 1 000 et 4 000 €.

Au-delà, entre 4 000 et 8 000 € pour les imprimantes 3D grand public, les volumes et les possibilités en matériaux peuvent être importants, et la qualité d’impression est excellente.