Vision d’une “usine du futur” en pleine croissance

Aujourd'hui, les entreprises cherchent à se moderniser et à profiter des possibilités qu'offrent les nouvelles technologies et les nouvelles façons de faire.

Utilisation massive des nouvelles technologies et des nouvelles méthodes de travail: L'évolution de la technologie informatique, l'utilisation grandissante d'Internet et la conservation des fichiers dans le nuage a permis d'instaurer de nouvelles méthodes de travail comme le travail collaboratif en temps réel. La conception et la modélisation 3D sont alors grandement favorisées par cette façon de faire puisqu'elles utilisent des fichiers numériques faciles à partager et à transmettre. Ainsi, plusieurs personnes peuvent travailler sur le même produit et mettre en commun leurs connaissances et leurs compétences afin de créer une pièce.

Ensemble du processus de conception et production entièrement connecté: En modélisation et en impression 3D, toutes les étapes de conception et de fabrication communiquent entre elles par Internet. Ainsi, le processus pour concevoir, modéliser, fabriquer et valider un produit s'en trouve grandement accéléré. En effet, auparavant, les concepteurs d'un produit devaient souvent fournir leurs plans à un fabricant pour obtenir un prototype, ce dernier devait ensuite être envoyé aux personnes responsables de la validation pour que ceux-ci puissent fournir une rétraction aux concepteurs qui modifiaient leur pièce en fonction des commentaires obtenus pour recommencer le processus à nouveau. Maintenant, avec l'utilisation des fichiers numériques pouvant être envoyés très rapidement d'un endroit à l'autre, ce processus devient plus rapide.

Production personnalisée: Un fichier numérique peut être modifié facilement et rapidement afin de répondre aux exigences particulières de chacun. Ainsi, la production de masse répondant au besoin du plus grand nombre de personnes peut faire place à une production à la demande.

Vision d’une usine qui se soucie plus de l’environnement

Dans la société actuelle, l'environnement a pris une place importante. Dans ce contexte, il est donc normal que plusieurs personnes et entreprises cherchent à mieux faire pour protéger notre planète.

Diminuer son impact environnemental: La recherche de solutions afin de diminuer son impact environnemental a amené la société à créer de nouvelles méthodes de fabrication et a contribué à l’apparition de l’impression 3D.

Diminution de l’exploitation des ressources épuisables et des énergies fossiles et diminution de l'émission des gaz à effet de serre (GES) : Les entreprises cherchant des solutions pour consommer moins d'énergie et émettre moins de GES ont vu dans l'impression 3D une réponse possible à leurs préoccupations.

L'impression 3D permet de fabriquer un produit sur commande, donc de diminuer l'utilisation d'entrepôts pour stocker les objets fabriqués en grande quantité. Moins d'entrepôts implique moins de chauffage et une entreprise qui chauffe au gaz ou au charbon consomme donc moins d'énergies fossiles.

Aussi, le fait de pouvoir imprimer localement, donc près de chez soi, diminue l'utilisation du transport nécessaire à l'importation d'articles fabriqués à l'étranger. Les avions, les bateaux et les camions nécessitant l'utilisation de pétrole et émettant beaucoup de GES, l'impression 3D permet une baisse considérable de l'impact environnemental néfaste occasionné par ces éléments.

De plus, les imprimantes fonctionnent à l'électricité, ressource renouvelable au Québec. La fabrication des objets nécessite alors principalement de l'hydroélectricité et le matériau d'impression.

Par tous ces aspects, l'exploitation des énergies fossiles comme le pétrole et le charbon s'en trouve donc diminué et il y a moins d'émissions de GES dans l'air. L'impression 3D est donc devenue une avenue importante vers des usines plus "vertes".

Passer d’une vision linéaire à une vision circulaire des produits: Avant, la production et la consommation des biens était vue comme un processus linéaire soit l'extraction, la fabrication, la consommation et la destruction. Dans notre société où la préoccupation environnementale prend de plus en plus de place, une vision circulaire de la production et de la consommation se met en place. Ainsi, l'utilisation de matériaux recyclés et la réutilisation des produits par modification ou recyclage sont de plus en plus envisagées. L'impression 3D vient répondre à ce besoin parce que certains matériaux, par exemple le PLA (plastique biodégradable et réutilisable) utilisé dans les imprimantes par dépôt de matière fondue, peuvent provenir de végétaux ou de plastique recyclé et peuvent être recyclés à nouveau lorsque l'objet arrive en fin de vie. De plus, la diminution de la production des déchets étant au coeur de nos préoccupations, la fabrication additive, principe de l'impression 3D, permet une baisse considérable des rebuts et retailles à jeter suite à la fabrication d'un produit.

Dates importantes:

1903 – Dépôt d'un brevet de fabrication d’un fer à cheval par empilement de tissu (fabrication additive)

Années 50 – Invention de la résine photopolymère (photorésine, préalable à la stéréolithographie)

1959 – Dépôt d'un brevet de fabrication d’un meuble par empilement de planches de bois (fabrication additive)

Fin des années 60 – Solidification de la photorésine par deux lasers (préalable à la stéréolithographie)

Début des années 80 – Dépôt du brevet de la stéréolithographie (SLA), première technique d'impression 3D

1993 – Apparition d'un procédé d'impression 3D par fabrication additive

1996 – Lancement de trois imprimantes 3D: Genisys de Stratasys, Actua 2100 de 3D Systems, Z402 de Z Corporation

1999 – Implantation d’une vessie artificielle sur un patient (premier organe imprimé en 3D)

Fin des années 2000 – Apparition des services d’impression 3D (L’augmentation de la facilité à partager des fichiers amène des entreprises à offrir le service d’impression 3D à des particuliers ayant leur objet modélisé en 3D).

2010 – Impression 3D du premier vaisseau sanguin

2011 à 2015 – Création de plusieurs imprimantes 3D les rendant plus accessibles au public

2014 – Fabrication des murs de 10 maisons en 24 heures en impression 3D.

2014 – Première pièce imprimée en 3D dans l’espace (station internationale)

2019 – Le revenus de l'impression 3D dépassent le 10 milliards de dollars

Il y a trois types d'impression 3D: la stéréolithographie, la fusion sélective par laser et le dépôt de matière fondue. Les points communs de ces trois types sont la fabrication additive et les étapes entièrement numériques.

Fabrication additive: Les trois types d'impression ajoutent du matériel plutôt que d’en enlever (fabrication additive) contrairement à l’usinage ou à la fabrication par réduction qui enlève du matériel pour fabriquer, ce qui produit des retailles souvent jetées.

Étapes de conception, de modélisation et de fabrication numériques: La conception, la modélisation et la préparation à l’impression se font toutes à l’aide de logiciels et l’impression est donc entièrement numérisée.

Stéréolithographie:

Voir la vidéo ci-contre pour une animation du processus de stéréolithographie par le dessus.

La stéréolithographie est le premier type d'impression 3D qui a été utilisé. Elle peut être faite par le dessus ou par le dessous. Elle consiste à transformer un liquide (souvent de la résine polymère) en solide, selon les étapes suivantes pour la solidification par le dessus:

Étapes:

1. L'imprimante est remplie d’un polymère liquide;

2. Un rayon laser solidifie la première couche;

3. La plateforme descend légèrement;

4. Une nouvelle couche de polymère liquide est déposée sur la couche solidifiée;

5. Le rayon laser solidifie la couche suivante;

6. Répétition des étapes précédentes jusqu’à ce que l’objet soit imprimé en entier;

7. À la fin, la plateforme remonte pour permettre la récupération de l’objet. 

La stéréolithographie est principalement utilisée pour la fabrication de petits objets ou d’objets avec beaucoup de détails (p. ex., en joaillerie).

Fusion sélective par laser:

Voir la vidéo ci-contre pour une animation du processus de fusion sélective par laser.

La fusion sélective par laser est une méthode d’impression 3D par laquelle un laser balaye une fine poudre et la fait fondre par couches successives. La solidification a lieu directement après l'arrêt du laser. Cette méthode permet de produire des pièces métalliques et a été développée notamment pour l’expérimentation et la construction de certaines pièces de moteurs utilisées par la NASA (“Fusion sélective par laser”, 2018).

Dépôt de matière fondue:

Voir la vidéo ci-contre pour une animation du processus d'impression par dépôt de matière fondue.

L'impression par dépôt de matière fondue est celle qui sera utilisée dans le cadre de ce cours.

Une buse fait fondre un matériau habituellement de type polymère, principalement du PLA ou de l'ABS et le dépose sur une plate-forme. La buse est mobile et se déplace afin de déposer à l'endroit approprié les couches de plastique sur le plateau de manière à former l'objet voulu.

Plusieurs matériaux peuvent être utilisés en impression 3D. Le type d'imprimante utilisée est un des critères importants à considérer dans le choix du matériau parce que certaines imprimantes peuvent fonctionner avec certaines matières, mais pas avec d'autres.

Polymères standards

PLA (Acide polylactique): Le PLA est le matériau qui sera utilisé dans ce cours à cause de ses nombreux avantages par rapport à l'ABS (qui sera vu un peu plus loin).

• Le PLA est principalement fabriqué à partir de maïs, de manioc, de canne à sucre et de matériaux recyclés.

• Il est biodégradable.

• Il peut se casser et n'a aucune résistance à la chaleur, il peut donc fondre si la température est trop élevée.

• Le PLA est un matériau qui convient à un usage alimentaire.

• Lors de l'impression, il nécessite une température plus basse que l’ABS.

ABS (Acrylonitrile butadiène styrène):

• L'ABS est non biodégradable,mais il est réutilisable après transformation.

• Il est plus difficile à imprimer que le PLA.

• Il est plus solide que le PLA.

• L'ABS ne convient pas à un usage alimentaire.

• Lors de l'impression, il nécessite une température plus haute que le PLA.

• Il émet des particules toxiques pendant l’impression.

AUTRES MATÉRIAUX: Voici des exemples d'autres matériaux pouvant être utilisés en impression 3D. Pour plus de détails, consulter le livre « Le grand livre de l’impression 3D » par Mathilde Berchon.

• Métaux (acier inoxydable, alliage, or, argent, platine, etc.)

• Céramique

• Sable de moulage

• Cire perdue

• Papier/Bois composite

Un fichier numérique ne peut pas être envoyé directement à l’imprimante. Il est nécessaire de fournir à cette dernière les informations dont elle a besoin afin d’effectuer l’impression selon les paramètres choisis. Le G-Code est le langage utilisé par l’imprimante 3D.

Il peut être généré automatiquement par le logiciel de découpage (trancheur) ou être directement écrit par un utilisateur maîtrisant la programmation.

Il contient des informations sur, entre autres, l'emplacement de l'objet sur le plateau d'impression, la température de la buse et du plateau, le pourcentage de remplissage, la façon dont l’imprimante doit se déplacer, la disposition des couches, etc. Plus de détails seront donnés dans le cours théorique sur les paramètres d'impression.

Il est possible de faire affaire avec des entreprises qui proposent un service d’impression lorsqu'on dispose déjà d’un fichier numérique prêt à être imprimé. Il suffit de leur envoyer le fichier, l’entreprise imprime l’objet et l’achemine ensuite au destinataire par la poste.

Voici quelques-unes de ces entreprises:

• Shapeways (Offre un service d'impression et dispose d'une boutique en ligne)

• i.Materialise (Offre un service d'impression et dispose d'une boutique en ligne. Spécialisée dans l'impression à grande échelle)

• 3T RPD (Offre un service d'impression)