Impression 3D – Concept d'autoréplication supportant le prototypage rapide et l'innovation

 L'impression 3D est en passe de devenir une étape essentielle

du processus de conception. Un nombre croissant d'entreprises commence à percevoir les avantages de cette technologie pour créer rapidement des prototypes et raccourcir de plusieurs mois leur cycle de développement.

 

Jusqu'à présent, les barrières d'adoption de l'impression 3D incluaient le coût de l'équipement et le manque de logiciels de conception faciles à utiliser pour des professionnels non-CAO. Aujourd'hui, le développement des imprimantes 3D open-source autoreproductibles a permis de créer un nouveau modèle, l'Ormerod 3D. En conjonction avec le logiciel de modélisation 3D DesignSpark Mechanical, les entreprises et les développeurs peuvent accélérer leur processus de développement et ouvrir de nouvelles voies d'innovation », explique Mark Cundle, Directeur du marketing technique de RS Components.

L'impression 3D (aussi appelée fabrication additive) révolutionne le développement des produits et aussi la production dans certains cas. Ce processus permet de fabriquer des objets à partir de modèles CAO grâce la fabrication par fusion de filament (FFF – Fused Filament Fabrication). Cette technique consiste à déposer des couches successives et des formes différentes en utilisant divers matériaux, tels que le plastique ou le métal. Les techniques de fabrication traditionnelles fonctionnent sur le principe de l'élimination du matériau, semblable au travail du sculpteur qui ne fait qu'éliminer ce dont il n'a pas besoin dans le bloc choisi, pour paraphraser Auguste Rodin.

Bien que l'impression 3D ait attiré l'attention du grand public depuis seulement quelques années (une attention malheureusement suscitée par la fabrication d'armes), elle existe depuis les années 1980. De nombreuses méthodes d'impression 3D ont été utilisées,

telles que la Fused Disposition Modelling (FDM), qui est le processus sans doute le plus courant parmi les imprimantes 3D peu coûteuses, Stereo Lithography (SLA), Electron Beam Melting (EBM), Laminated Object Manufacturing

(LOM), pour n'en citer que quelques-unes. Ces technologies sont de plus en plus utilisées pour le prototypage rapide et diverses applications de fabrication dans une multitude de secteurs industriels, incluant l'ingénierie, la construction, l'automobile, la défense, l'aéronautique, des applications médicales, et certains secteurs des produits de grande consommation tels que la mode.

 

Une généralisation croissante

Depuis le début du millénaire, les ventes d'imprimantes 3D ont largement progressé. Grâce à des baisses de prix importantes, elles sont de plus en plus accessibles. Les modèles produits en masse sont offerts à moins de 2500 USD. Une récente étude de marché, publiée par l'analyste Markets&Markets, prévoit que le taux de croissance annuel moyen des imprimantes 3D augmentera de 23% de 2013 à 2020, pour atteindre une valeur de 8,41 milliards USD.

L'impression 3D évolue actuellement d'une technologie très spécialisée, utilisée par de grandes entreprises, vers un produit de masse accessible par les consommateurs et les PME.

À tel point que certains analystes pensent que l'imprimante 3D a le potentiel de devenir un appareil ménager, omniprésent dans les foyers, permettant de fabriquer une multitude d'objets ou ustensiles courants et de pièces de rechange. Cette technologie devient rapidement accessible à tous, et les particuliers pourront fabriquer de petites quantités de produits comparables à ceux des grandes entreprises.

Il y a quelques mois pendant l'émission « In Business » de la station BBC Radio 4, Joe Kraus, un pionnier des dotcom, a synthétisé l'évolution commune des différents secteurs de la fabrication et de la production dans une habile formule : « Le vingtième siècle a vu la naissance de douzaines de marchés au service de millions de consommateurs. Le vingt-et-unième siècle verra la naissance de millions de marchés au service de douzaines de consommateurs. » Tout indique que l'impression 3D, en conjonction avec d'autres technologies et mouvements comme l'open-source, jouera un rôle important dans notre avenir, qui s'oriente de plus en plus vers la personnalisation, la spécificité des produits, pour délaisser le principe d'une taille universelle et de la production de masse.

 

Prototypage rapide – Un travail mesuré en heures... et non plus en semaines

L'impact de l'impression 3D est déjà évident dans de nombreux secteurs de fabrication de produits de consommation, en particulier dans les applications très spécialisées ou à faible volume. Néanmoins, elle rencontre ses limites dès qu'il s'agit de produire des volumes importants. La technologie d'impression 3D fonctionne en déposant des couches successives d'un matériau. Par conséquent, l'intégrité structurelle obtenue peut ne pas offrir une résistance suffisante dans de nombreuses applications. Elle ne peut donc pas prétendre remplacer la fabrication de produits par moulage d'un métal en fusion, tout au moins dans un avenir prévisible. Mais dans le contexte de la fabrication de masse, elle offre l'avantage critique d'apporter une solution efficace à la création rapide de prototypes. Elle révolutionne le développement des produits. En effet, l'impression 3D des prototypes n'exige pas de compétences techniques particulières. Elle apporte des avantages très importants en termes de liberté conceptuelle et de rapidité de mise sur le marché.

Le processus de développement des produits a bénéficié d'améliorations importantes dans une gamme étendue d'industries, telles que la construction automobile, les produits électroniques de grande consommation, les appareils médicaux. L'impression 3D sert à concevoir et à tester de nouveaux concepts dans des entreprises de toutes tailles. Elle remplace des outils spécialisés pour fabriquer les premiers prototypes des nouvelles pièces ou composants. Elle permet aux développeurs d'obtenir un prototype en quelques heures ou en quelques jours, au lieu de plusieurs semaines (ou mois !), comme c’était le cas auparavant.

Mais cette technologie offre plus qu'un simple gain de temps et d'argent. Le prototypage rapide par impression 3D permet de créer des produits plus innovants et de meilleure qualité. Les développeurs n'ont plus à attendre que des pièces ou des outils soient livrés par des ateliers d'usinage ou de moulage par injection externes. Les imprimantes 3D permettent de tester physiquement, d'améliorer et de mettre au point des prototypes avant de lancer la production de masse d'un produit.

 

Et si une imprimante 3D était capable de reproduire tous ses composants ?

 

RepRap et autoréplication

La dynamique de l'impression 3D est largement renforcée par les avantages de sa conception open-source et de l'auto-réplication des imprimantes 3D : Et si une imprimante 3D était capable de reproduire tous ses composants ? Le projet « Replicating Rapid Prototyper », aussi connu sous le nom « RepRap », a été fondé en 2004 par Adrian Bowyer, ancien professeur d'ingénierie mécanique à l'université de Bath au Royaume-Uni, qui souhaitait mettre l'impression 3D à la portée de tous pour un prix économique ou raisonnable. En bref, le projet RepRap a pour objectif de développer une imprimante 3D économique capable d'imprimer la plupart de ces propres composants. Les imprimantes 3D RepRapPro utilisent la technologie de la fabrication par fusion de filament (FFF), qui combine un pistolet à colle plastique contrôlé par ordinateur et une bobine de plastique alimentée dans une chambre chauffée. La matière plastique est injectée par une petite buse qui dépose la première couche sur un plateau d'impression. Ce plateau s'éloigne de la buse après le dépôt de chaque couche, prêt à recevoir la couche suivante.

D'après les présentations d'Adrian Bowyer, il existe une relation symbiotique entre les machines RepRap et les utilisateurs au sein du projet RepRap : 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 sont comme les insectes qui facilitent la reproduction de la machine RepRap. Il est important de noter qu'une machine peut fabriquer toutes ses pièces plastiques, mais RepRap spécifie que tous les autres composants requis pour construire une machine dupliquée, tels que les moteurs électriques, les ensembles électroniques et autres matériaux tels que les tiges métalliques filetées, 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.

L'une des justifications fondamentales du projet RepRap est de mettre l'impression 3D à la portée de tous. Par conséquent, le projet a pour principe d'être open-source. Tout ce qui est reproductible est soumis aux lois de l'évolution. Comme cette machine peut fabriquer ses propres composants, les fichiers de conception doivent être directement accessibles à tous. Cependant, son évolution ne sera pas principalement basée sur des mutations aléatoires, mais ressemblera étroitement à un processus de sélection similaire au développement de Linux et des logiciels open-source. Les membres de la communauté RepRap souhaiteront naturellement modifier la conception, améliorer la précision et la facilité de construction. Toutes ces modifications seront systématiquement postées sur le web. Si un utilisateur a une machine RepRap ancienne, il peut s'en servir pour imprimer un nouveau modèle basé sur les plus récentes améliorations.

Le projet est une splendide réussite. Plusieurs imprimantes économiques sont maintenant disponibles sur le marché et sont basées, pour la plupart, sur le projet RepRap. D'après une récente étude sur l'impression 3D (« Manufacturing in Motion », de J. Moilanen et T. Vadén), le projet RepRap a pris la plus grande part du marché. Pour faciliter la diffusion du concept, RepRapPro, qui est le bras commercial du projet RepRap, a été lancé en 2011. Les premières imprimantes RepRapPro 3D disponibles étaient appelées Huxley et Mendel, vendues en kit à assembler pour quelques centaines de livres sterling, avec ou sans les composants plastiques imprimés. Actuellement, la prochaine génération RepRap est disponible, avec le nouveau modèle Ormerod.

 

Les premiers modèles d'imprimantes RepRapPro 3D étaient appelés Huxley et Mendel, dont le prix ne dépassait pas quelques centaines de livres sterling.

RepRapPro Ormerod Le nouveau modèle RepRapPro Ormerod est proposé en kit d'impression 3D complet et à un prix économique par RS. Utilisé avec le logiciel de conception 3D gratuit DesignSpark Mechanical, cette imprimante permet aux ingénieurs de développer des concepts et des produits sophistiqués, extrêmement rapidement et économiquement, dans tous les pays du monde. Répondant aux exigences des petites productions, la RepRapPro Ormerod est une des imprimantes 3D les plus polyvalentes du marché. Ce modèle est facile à répliquer et rapide à assembler. En outre, les utilisateurs peuvent facilement étendre ses fonctionnalités. Comme les modèles précédents, l'Ormerod est basé sur la technique de fabrication par dépôt de filament en fusion ou FFF (Fused Filament Fabrication), qui permet de fabriquer des objets tridimensionnels dans divers types de matières plastiques et différentes couleurs. Avec ce processus, l'utilisateur peut créer presque n'importe quelle forme, dès lors qu'elle peut être modélisée sur un ordinateur, y compris certaines formes impossibles à réaliser avec des techniques de fabrication traditionnelles. L'imprimante 3D monochrome RepRapPro Ormerod est configurée pour imprimer avec un seul type de plastique par opération, mais sa tête d'impression de base est conçue pour déposer trois couleurs. Un kit de mise à niveau sera prochainement disponible. En outre, les systèmes électroniques ont été repensés et intègrent la connectivité avec un navigateur internet. Sa construction est beaucoup plus simple que le modèle Mendel, qui nécessitait deux jours d'assemblage en moyenne. L'Ormerod nécessite beaucoup moins de temps et il est donc plus accessible aux non-spécialistes.

La RepRapPro Ormerod est fournie en kit incluant tous les composants requis pour imprimer en 3D. Le kit complet contient tous les éléments imprimés, tout le matériel non imprimable tels que tiges lisses et filetées, vis, écrous, rondelles, courroies, roulements ; les systèmes électroniques pré-soudés et programmés ; la carte MicroSD et son adaptateur ; le plateau d'impression chauffant avec circuit imprimé ; les moteurs ; le mécanisme d'extrusion avec la buse ; 100 m de filament de 1,75 mm de diamètre en PLA (acide polylactique, 300 g environ) ; une unité d'alimentation (pour l'UE, le RU, les USA et l'Australie) ; le logiciel de contrôle de la machine avec le firmware des systèmes électroniques. Les spécifications de l'Ormerod incluent une précision de 0,1 mm, une résolution de 0,0125 mm, une vitesse de fabrication de 1800 mm par minute, une vitesse de dépôt de 33 cm3 par heure.

 

En résumé, grâce à la combinaison de la technologie d'impression 3D économique de la RepRapPro Ormerod, du logiciel DesignSpark Mechanical intuitif et gratuit, et de la bibliothèque ModelSource de modèles de composants, la conception 3D et le prototypage rapide sont maintenant accessibles à un vaste public d'utilisateurs, sans se limiter aux seuls spécialistes de la CAO, supportant un développement renforcé des innovations et des mises sur le marché accélérées.