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 de coût relativement faible proposées par plusieurs fabricants permet rapidement à cette technologie de devenir un outil clé pour la production de prototypes dans la conception et le développement des produits électroniques et électromécaniques. Mais une dynamique majeure dans le domaine de l'impression 3D est la machine auto-reproductible. Exploitant le mouvement de source ouverte, le projet Replicating Rapid Prototyper (RepRap) est une initiative pour 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 Fused Filament Fabrication (FFF), également appelée Fused Deposition Modelling (FDM). Cette technologie crée des objets en 3D à partir de thermoplastiques extrudés : il s'agit essentiellement de filaments de plastique en fusion déposés en fines couches dans le cadre d'un processus de fabrication additive. Plus spécifiquement, on alimente une bobine de PLA (acide polylactique), une matière 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 recevoir la seconde couche par-dessus la première, et ainsi de suite. Un aperçu du processus utilisé dans les imprimantes RepRap est présenté ci-dessous.

 

 

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 dans n'importe quelle couleur. Cependant, il ne faut pas en attendre trop : le processus FFF utilisé par les imprimantes RepRap n'offrira pas les transitions de couleur nettes et immédiates que l'on peut obtenir dans une photo imprimée par le processus jet d'encre.

Mais les progrès ne se limitent pas aux couleurs.

En effet, même si tous les matériaux ne se mélangent pas bien entre eux, il existe de nombreux plastiques mélangeables que l'on peut imprimer et qui offrent des propriétés différentes : certains sont assez mous et flexibles alors que d'autres sont durs et rigides. En modifiant les proportions d'un mélange, on peut donc imprimer un objet ayant le degré souhaité de rigidité à tout point géométrique de l'objet. Il est intéressant de noter que la construction d'objets ayant des propriétés mécaniques progressives est une astuce employée par les organismes vivants qui possèdent un contrôle à l'échelle microscopique et bâtissent à partir des cellules. 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 couleurs mixtes. S'appuyant sur les recherches d'étudiants de l'université de Bath (dossiers disponibles ici), le prototype d'extrudeuse mélangeuse RepRap peut traiter des intrants de multiples filaments de PLA (acide polylactique) filaments pour obtenir des matériaux de couleurs et/ou propriétés mécaniques différentes. Sur la base d'une imprimante RepRap existante, on a adapté et écrit des logiciels et progiciels qui répondent aux exigences du nouveau concept d'extrudeuse mélangeuse. Des objets de démonstration dans de nombreuses couleurs différentes ainsi que des objets comportant des propriétés de matériau qui changent progressivement ont déjà été obtenus avec des prototypes de tête d'impression.

Le développement de cette capacité de mélange des filaments signifie que le projet RepRap a fait un grand pas en avant pour la production rapide et facile d'objets en couleur et bâtir des composants bien plus sophistiqués employant des plastiques durs et souples. Ce développement permet aussi au projet de se rapprocher de l'exploitation complète des possibilités de la fabrication de filaments fusionnés en tant que technologie d'impression 3D, et en dernière analyse de pouvoir combiner des matériaux très différents tels que les alliages métalliques ou résines et les thermoplastiques au sein d'un processus de production en un seul passage.

 

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 mécanique. Il est aujourd'hui l'un des associés 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. Mais 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 sera délibérément amélioré sur le temps, pour rendre l'imprimante plus précise ou peut-être plus facile à construire. Comme les fichiers de conception sont librement disponibles par l'intermédiaire de 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'une machine RepRap peut fabriquer toutes ses pièces plastiques mais que le projet spécifie que tous les autres composants requis pour construire une machine dupliquée, tels que les moteurs électriques, les ensembles électroniques et différents 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.