Extrudeuse mélangeuse d'impression 3D

L'évolution de la machine auto-reproductible - Une nouvelle étape dans le développement de l'impression 3D économique de plus en plus sophistiquée

Un choix grandissant d'imprimantes 3D, au coût relativement faible, sont proposées par plusieurs fabricants. Elles permettent à cette technologie de devenir rapidement un outil essentiel de la production de prototypes, dans les secteurs de la conception et du développement des produits électroniques et électromécaniques. La machine auto-reproductible supporte aussi une dynamique majeure dans le domaine spécifique de l'impression 3D. S'appuyant sur la philosophie de partage open-source, le projet Replicating Rapid Prototyper (RepRap) vise à développer une machine capable d'imprimer la majorité de ses propres composants, offrant ainsi le potentiel de mettre l'impression 3D à la portée de tous, pour un coût relativement modeste.

 

Imprimantes RepRap – La technologie d'aujourd'hui

Les imprimantes RepRap – dont la plus récente est l'Ormerod – emploient la technologie de Fabrication par Fusion de Filament (FFF – Fused Filament Fabrication), également appelée modélisation par dépôt de filament (FDM – Fused Deposition Modelling).  Cette technologie crée des objets en 3D à partir de matériaux thermoplastiques extrudés. Il s'agit essentiellement de filaments de plastique en fusion déposés en fines couches par un processus de fabrication additive.  Plus spécifiquement, on alimente une bobine de PLA (acide polylactique), semblable au polyester, dans une chambre chauffée. Le matériau est alors diffusé par la petite buse d'un pistolet à colle contrôlé par ordinateur. On dépose ainsi la première couche sur une plaque de base, que l'on abaisse ensuite légèrement pour superposer la seconde couche, et ainsi de suite. Un aperçu du processus utilisé dans les imprimantes RepRap est présenté ci-dessous.

Processus d'impression RepRap 3D (courtoisie de reprap.org)

 

L'étape suivante – Mélanger les matériaux

Pratiquement toutes les imprimantes 3D économiques actuelles fonctionnent avec un seul matériau.  Quelques-unes peuvent fonctionner avec plusieurs matériaux mais elles le font séparément ; par exemple, s'il y a deux matériaux, un rouge et un bleu, on peut imprimer un objet qui comporte des parties rouges et des parties bleues.

L'imprimante RepRap Ormerod actuelle est une imprimante 3D à un seul matériau, ou monochrome, configurée pour imprimer avec un seul type de plastique par opération. Mais elle est conçue pour que sa prochaine phase de développement saute les imprimantes multi-matériaux ordinaires pour obtenir une imprimante capable de mélanger les matériaux.  Si on l'alimente en rouge et en bleu, elle pourra imprimer en rouge, en bleu ou dans n'importe quelle teinte intermédiaire de violet.

Elle ne se contentera pas de mélanger seulement deux matériaux : elle pourra en mélanger cinq.  Donc, quand on l'alimentera en blanc, noir, cyan, magenta et jaune, elle pourra imprimer n'importe quelle couleur.  Cependant les attentes doivent rester limitées. Le processus FFF des imprimantes RepRap n'offrira pas les transitions de couleur semblables à celles d'une photographie sortant d'une imprimante à jet d'encre.

Mais les progrès ne se limitent pas aux couleurs.

En effet, même s'il n'est pas possible de mélanger n'importe quels matériaux, de nombreux plastiques mélangeables peuvent être imprimés avec des propriétés différentes. Certains sont assez mous et flexibles alors que d'autres sont durs et rigides. En modifiant les proportions d'un mélange, un objet peut être imprimé avec un degré de rigidité adapté à chaque point géométrique de sa structure interne. Il est intéressant de noter que la construction d'objets ayant des propriétés mécaniques variables est très présente dans les organismes vivants. Cette capacité est liée à leur croissance cellulaire, bénéficiant d'un contrôle microscopique. Une tête humaine, par exemple, comporte un crâne rigide mais un nez flexible en cartilage. L'os et le cartilage contiennent les mêmes matériaux mais lorsqu'ils sont mélangés en différentes proportions ils donnent des pièces ayant des propriétés mécaniques différentes.

À cette fin, RepRapPro Ltd développe actuellement une tête ou buse d'extrusion qui permettra de mélanger différents matériaux afin d'obtenir des propriétés mécaniques et des mélanges de couleurs. S'appuyant sur les recherches d'étudiants de l'université de Bath (articles disponibles ici), le prototype d'extrudeuse mélangeuse RepRap peut traiter des intrants de multiples filaments de PLA (acide polylactique) pour obtenir des matériaux de couleurs et/ou propriétés mécaniques différentes. Sur la base d'une imprimante RepRap existante, des logiciels et progiciels ont été écrits et adaptés, pour répondre aux exigences du nouveau concept d'extrudeuse mélangeuse. Des objets de démonstration dans de nombreuses couleurs, ainsi que des objets offrant des propriétés progressivement changeantes, ont déjà été obtenus avec des prototypes à tête mélangeuse.

Grâce au développement du mélange des filaments, le projet RepRap a fait un grand pas en avant pour produire rapidement et facilement des objets en couleur et dans la conception de composants plus sophistiqués basés sur des plastiques durs et souples. De tels développements permettent aussi au projet de mieux exploiter les possibilités de la fabrication par fusion de filament comme technologie d'impression 3D. Ils ouvrent la voie à des combinaisons de matériaux très différents tels que des alliages métalliques, des résines et des thermoplastiques, et des processus de production en une seule opération.

 

Le projet RepRap

Le projet RepRap a été fondé en 2004 par Adrian Bowyer lorsqu'il enseignait à l'université de Bath, dans le département d'ingénierie mécanique.  Il est aujourd'hui l'un des directeurs de RepRapPro Ltd, l'une des sociétés basées sur le projet RepRap.

Selon Bowyer, il existe une relation symbiotique entre les machines RepRap et les humains. Les machines sont comme les fleurs qui donnent du nectar aux insectes, mais au lieu de nectar elles fournissent des objets aux humains. Les humains, quant à eux, sont comme les insectes qui aident les fleurs à se reproduire en transportant leur pollen, mais leur rôle est d'assembler la machine RepRap. À la différence des fleurs et des insectes, la machine auto-reproductible n'évolue pas par mutation aléatoire.  Elle est modifiée par sélection, un peu comme les hommes ont transformé les loups en chiens.  Inévitablement, le concept de la machine évoluera et progressera, pour rendre l'imprimante plus précise ou peut-être plus facile à construire. Comme les fichiers de conception sont librement disponibles dans la communauté RepRap, les meilleurs concepts auront une plus grande aptitude de reproduction et seront donc diffusés plus largement.

Il est important de noter qu'en plus de la capacité de la machine RepRap à fabriquer toutes ses pièces plastiques, le projet spécifie que tous les autres composants requis pour construire une machine dupliquée (moteurs électriques, ensembles électroniques et différents matériaux tels que tiges métalliques filetées, etc.) doivent avoir deux propriétés : ils doivent être relativement bon marché et simples à obtenir ; ils doivent aussi être facilement disponibles pour n'importe quelle personne dans le monde.