Même les meilleurs artistes ont du mal à nous montrer les objets du monde réel dans toute leur splendeur tridimensionnelle (3D). La plupart du temps, une photo ou un croquis nous donne une idée suffisante. Mais si vous développez de nouveaux produits et que vous devez les présenter à vos clients, rien ne vaut un prototype : un modèle que vous pouvez toucher, tenir et sentir. Seul problème, les modèles prennent du temps à fabriquer à la main et les machines capables de réaliser des « prototypes rapides » coûtent souvent une fortune. La technologie des imprimantes 3D a révolutionné la démarche de prototypage. Fonctionnant un peu comme des jets d’encre, elles construisent des modèles 3D couche par couche, jusqu’à dix fois plus vite et cinq fois moins cher. Mais comment fonctionnent-elles exactement ? Voyons cela de plus près !
Des prototypes faits à la main au prototypage rapide
Avant l’apparition de la conception assistée par ordinateur (CAO) et des lasers, les modèles et les prototypes étaient laborieusement sculptés dans du bois ou assemblés à partir de petits morceaux de carton ou de plastique. Leur fabrication pouvait prendre des jours, voire des semaines, et coûtait généralement une très cher. Il était difficile et fastidieux d’apporter des changements ou des modifications, surtout si l’on faisait appel à une entreprise de modélisme extérieure, ce qui pouvait décourager les concepteurs d’apporter des améliorations ou de prendre en compte les commentaires de dernière minute.
Avec l’arrivée de technologies plus performantes, une idée appelée prototypage rapide (PR) a vu le jour dans les années 1980 pour résoudre ce problème : il s’agissait de développer des modèles et des prototypes par des méthodes plus automatisées, généralement en quelques heures ou quelques jours seulement, au lieu des semaines que prenait le prototypage traditionnel. L’impression 3D est une extension logique de cette idée : les concepteurs de produits fabriquent leurs propres prototypes rapides, en quelques heures, à l’aide de machines sophistiquées semblables à des imprimantes à jet d’encre, mais utilisant la fabrication additive.
Comment fonctionne une imprimante 3D ?
Imaginez que vous construisiez un prototype de voiture en bois classique. Vous commenceriez par un bloc de bois massif et vous le tailleriez vers l’intérieur, comme un sculpteur, révélant progressivement l’objet « caché » à l’intérieur. Ou encore, si vous vouliez réaliser la maquette d’une maison d’architecte, vous la construiriez comme une vraie maison préfabriquée, probablement en découpant des répliques miniatures des murs dans du carton et en les collant ensemble. Aujourd’hui, un laser pourrait facilement sculpter du bois et il n’est pas impossible d’apprendre à un robot à coller du carton, mais les imprimantes 3D ne fonctionnent pas de cette manière !
Une imprimante 3D typique ressemble beaucoup à une imprimante à jet d’encre fonctionnant à partir d’un ordinateur. Elle construit un modèle 3D une couche à la fois, du bas vers le haut, en imprimant de manière répétée sur la même zone selon une méthode connue sous le nom de modélisation par dépôt de matière fondue (FDM). Fonctionnant de manière entièrement automatique, l’imprimante crée un modèle sur une période de plusieurs heures en transformant un dessin CAO en 3D en de nombreuses couches bidimensionnelles en coupe transversale – en fait, des impressions 2D séparées qui se superposent, mais sans le papier entre les deux. Au lieu d’utiliser de l’encre, qui n’atteindrait jamais un volume important, l’imprimante dépose des couches de plastique fondu ou de poudre et les fusionne entre elles (et avec la structure existante) à l’aide d’un adhésif ou d’une lumière ultraviolette.
Avantages et inconvénients de l’impression 3D ?
Les fabricants d’imprimantes 3D affirment qu’elles sont jusqu’à 10 fois plus rapides que les autres méthodes et 5 fois moins chères, et qu’elles offrent donc de grands avantages aux personnes qui ont besoin de prototypes rapides en quelques heures plutôt qu’en quelques jours. Bien que les imprimantes 3D haut de gamme soient encore coûteuses (généralement entre 25 000 et 50 000 EUROS), elles ne représentent qu’une fraction du coût des machines de PR plus sophistiquées (qui coûtent entre 100 000 et 500 000 EUROS), et des machines beaucoup moins chères sont également disponibles (vous pouvez acheter des imprimantes en kit pour quelques centaines de dollars seulement). Elles sont également raisonnablement petites, sûres, faciles à utiliser et fiables (des caractéristiques qui les ont rendues de plus en plus populaires dans des endroits tels que les écoles de design et d’ingénierie).
En revanche, la finition des modèles qu’ils produisent est généralement inférieure à celle des modèles produits avec des machines de RP plus haut de gamme. Le choix des matériaux est souvent limité à un ou deux, les couleurs peuvent être grossières et la texture peut ne pas très bien refléter la finition prévue du produit. En règle générale, les modèles imprimés en 3D conviennent donc mieux aux premières visualisations de nouveaux produits ; les machines de photogravure plus sophistiquées peuvent être utilisées plus tard dans le processus, lorsque les conceptions sont plus proches de la finalisation et que des éléments tels qu’une texture de surface précise sont plus importants.
Exemples d’applications de la technologie d’impression 3D
À quoi peut servir une imprimante 3D ? C’est un peu comme si l’on demandait « Combien de fois peut-on utiliser une photocopieuse ? ». En théorie, la seule limite est votre imagination. En pratique, les limites sont la précision du modèle à partir duquel vous imprimez, la précision de votre imprimante et les matériaux avec lesquels vous imprimez. L’impression 3D moderne a été inventée il y a plus de 30 ans, mais elle n’a vraiment commencé à décoller qu’au cours des deux dernières décennies. Une grande partie de la technologie est encore relativement nouvelle ; malgré cela, la gamme d’utilisations de l’impression 3D est assez étonnante.
Médecine
La vie est un voyage à sens unique ; les êtres humains faillibles et vieillissants, dont les corps se froissent et s’effritent, voient naturellement de grandes promesses dans une technologie qui a le potentiel de créer des parties du corps et des tissus de remplacement. C’est pourquoi les médecins ont été parmi les premiers à explorer l’impression 3D. Nous avons déjà vu des oreilles imprimées en 3D (par la société indienne Novabeans), des bras et des jambes (par Limbitless Solutions, Biomechanical Robotics Group et Bespoke) et des muscles (par l’université de Cornell). Les imprimantes 3D ont également été utilisées pour produire des tissus artificiels (Organovo), des cellules (Samsara Sciences) et de la peau (dans le cadre d’un partenariat entre le géant des cosmétiques L’Oréal et Organovo). Bien que nous soyons encore loin de disposer d’organes de remplacement complets imprimés en 3D (tels que des cœurs et des foies), les choses évoluent rapidement dans cette direction. Un projet, connu sous le nom de « Body on a Chip », mené par le Wake Forest Institute for Regenerative Medicine en Caroline du Nord, imprime des cœurs, des poumons et des vaisseaux sanguins humains miniatures, les place sur une puce électronique et les teste avec une sorte de sang artificiel.
Outre le remplacement de parties du corps, l’impression 3D est de plus en plus utilisée pour l’éducation et la formation médicales. À l’hôpital pour enfants Nicklaus de Miami, en Floride, les chirurgiens s’exercent sur des répliques imprimées en 3D de cœurs d’enfants. Ailleurs, la même technique est utilisée pour répéter des opérations du cerveau.
Aérospatiale et défense
Concevoir et tester des avions est une activité complexe et coûteuse : un Boeing Dreamliner contient environ 2,3 millions de composants ! Bien que des modèles informatiques puissent être utilisés pour tester de nombreux aspects du comportement des avions, des prototypes précis doivent encore être fabriqués pour des tests en soufflerie, par exemple. L’impression 3D est un moyen simple et efficace d’y parvenir. Alors que les avions commerciaux sont construits en quantité, les avions militaires sont plus susceptibles d’être hautement personnalisés. L’impression 3D permet de concevoir, de tester et de fabriquer rapidement et à moindre coût des pièces uniques ou de faible volume.
Les engins spatiaux sont encore plus complexes que les avions et présentent l’inconvénient supplémentaire d’être « fabriqués » en très petites quantités – parfois une seule fois. Au lieu d’investir dans la fabrication d’outils et d’équipements de fabrication uniques, il peut être beaucoup plus judicieux d’imprimer en 3D des composants uniques. Mais pourquoi fabriquer des pièces spatiales sur Terre ? L’expédition de structures complexes et lourdes dans l’espace est difficile, coûteuse et prend du temps ; la possibilité de fabriquer des objets sur la Lune ou sur d’autres planètes pourrait s’avérer inestimable. Il est facile d’imaginer des astronautes (ou même des robots) utilisant des imprimantes 3D pour produire les objets dont ils ont besoin (y compris des pièces de rechange), loin de la Terre, quand ils en ont besoin. Mais même les projets spatiaux conventionnels, nés sur Terre, peuvent bénéficier de la rapidité, de la simplicité et du faible coût de l’impression 3D. Le dernier rover de la NASA, qui peut accueillir des êtres humains, utilise des pièces imprimées en 3D produites avec l’aide de Stratasys.
Visualisation et modélisation
La fabrication de prototypes d’avions ou de fusées spatiales est un exemple d’utilisation beaucoup plus large pour l’impression 3D : la visualisation de l’aspect des nouvelles conceptions en trois dimensions. Nous pouvons utiliser des choses comme la réalité virtuelle pour cela, bien sûr, mais les gens préfèrent souvent des choses qu’ils peuvent voir et toucher. De plus en plus, les imprimantes 3D sont utilisées pour une modélisation architecturale rapide et précise. Bien que nous ne puissions pas (encore) imprimer en 3D dans des matériaux tels que la brique et le béton, il existe une large gamme de plastiques disponibles et ils peuvent être peints pour ressembler à des finitions de construction réalistes. De la même manière, l’impression 3D est également largement utilisée pour le prototypage et le test de produits industriels et de consommation. Étant donné que de nombreux objets de tous les jours sont moulés à partir de plastique, un modèle imprimé en 3D peut ressembler beaucoup au produit fini – parfait pour les essais de groupe ou les études de marché.
Produits personnalisés
Des brosses à dents en plastique aux emballages de bonbons, la vie moderne est pratique, peu coûteuse et jetable. Tout le monde n’apprécie pas la production de masse disponible sur le marché, cependant, ce qui explique pourquoi les « étiquettes de concepteur » coûteuses sont si populaires. À l’avenir, nous serons plus nombreux à pouvoir profiter des avantages de produits abordables et hautement personnalisés fabriqués sur mesure selon nos spécifications exactes. Bijoux et accessoires de mode sont déjà imprimés en 3D.
Tout comme le site Etsy a créé une communauté mondiale d’artisans, il y a quelques années, une startup appelée Zazzy a tenté de reproduire cela en utilisant la technologie d’impression 3D. Grâce à des services en ligne simples comme Shapeways, n’importe qui peut fabriquer ses propres nick-nacks imprimés en 3D, que ce soit pour lui-même ou pour les vendre à d’autres personnes sans avoir à utiliser sa propre imprimante 3D (même Staples offre maintenant des services d’impression 3D dans certains de ses magasins).
Les « produits personnalisés » ne sont pas simplement des choses que nous achetons et utilisons : les aliments que nous mangeons peuvent également tomber dans cette catégorie. Cuisiner demande du temps, de l’habileté et de la patience, car la préparation d’un repas alléchant va bien au-delà du mélange des ingrédients et du chauffage sur une cuisinière. Puisque la plupart des aliments peuvent être extrudés (pressés à travers des buses), ils peuvent (théoriquement) également être imprimés en 3D.
Il y a quelques années, Evil Mad Scientist Laboratories a imprimé de manière ludique des objets étranges en sucre. En 2013, le chroniqueur du New York Times A.J. Jacobs s’est lancé le défi d’imprimer un repas entier, y compris l’assiette et les couverts. Dans le processus, il a fait appel au travail de Hod Lipson de l’Université Cornell, qui croit que les repas peuvent un jour être imprimés en 3D pour correspondre aux besoins nutritionnels exacts de votre corps. Ce qui nous amène à l’avenir…
L’avenir de l’impression 3D
Beaucoup de gens croient que l’impression 3D annoncera non seulement un raz-de-marée de gadgets en plastique, mais une révolution dans l’industrie manufacturière et l’économie mondiale qu’elle conduit. Bien que l’impression 3D nous permette certainement de fabriquer nos propres choses, il y a une limite à ce que vous pouvez réaliser par vous-même avec une imprimante bon marché et un tube de plastique. Les avantages économiques réels sont susceptibles d’arriver lorsque l’impression 3D est universellement adoptée par les grandes entreprises comme un pilier central de l’industrie manufacturière. Tout d’abord, cela permettra aux fabricants d’offrir beaucoup plus de personnalisation des produits existants, de sorte que l’abordabilité de la production de masse disponible sur le marché sera combinée à l’attrait de l’artisanat unique et sur mesure. Deuxièmement, l’impression 3D est essentiellement une technologie robotique, ce qui réduira le coût de fabrication au point où il sera, encore une fois, rentable de fabriquer des articles en Amérique du Nord et en Europe qui sont actuellement assemblés à bon marché (par des humains mal payés) en Chine et en Inde. Enfin, l’impression 3D augmentera la productivité (puisque moins de personnes seront nécessaires pour fabriquer les mêmes choses), ce qui réduira les coûts de production dans l’ensemble, ce qui devrait entraîner une baisse des prix et une augmentation de la demande, et c’est toujours une bonne chose pour les consommateurs, les fabricants et l’économie.