Fiche de révision : Introduction aux procédés d'impression 3D

📋 Plan du Cours

1. Choix du procédé d’impression 3D
2. Repères historiques et marché
3. Applications et secteurs d’usage
4. Chaîne de conception d’une pièce
5. Règles de conception additive
6. Technologie FFF et FDM
7. Famille SLA et résines
8. SLS, MJF et PolyJet
9. Tranchage et post-traitement

📖 1. Choix du procédé d’impression 3D

🔑 Notions clés & Définitions

• Forme de la pièce : Critère de choix qui oriente le procédé selon la géométrie à fabriquer.
• Matière utilisée : Critère de choix qui dépend des polymères ou résines disponibles pour le procédé visé.
• Précision des côtes : Critère de choix qui fixe le niveau de tolérance dimensionnelle attendu pour la pièce.
• Taille de la série : Critère de choix qui compare le besoin de production (ex : très grande série) à celui de petites quantités.

📝 Points essentiels

• Le choix du procédé dépend notamment de la forme, de la matière, de la précision des côtes et de la taille de la série.
• Un exemple donné : le PS est peu utilisé en rotomoulage à cause de l’oxydation.
• Le document compare 1 million de pièces à 500 pièces pour illustrer l’effet de la taille de série sur le choix.

💡 Astuce mémo

Forme + Matière + Côtes + Série.

📖 2. Repères historiques et marché

🔑 Notions clés & Définitions

• Hideo Kodama : Inventeur associé à la première demande de brevet mentionnée pour un système de prototypage rapide par photopolymères UV.
• Charles Hull : Inventeur associé à la stéréolithographie (SLA) et à des brevets liés à des machines SLA.
• Carl Deckard : Inventeur associé à un brevet de procédé de frittage sélectif par laser (SLS).
• Marché Sculpteo : Enquête réalisée par Sculpteo auprès d’entreprises et d’utilisateurs pour décrire l’usage du 3D printing.
• Open source (brevets expirés) : Contexte où l’expiration de brevets et des projets open source favorisent l’augmentation du nombre de fabricants.

📝 Points essentiels

• 1980 : une demande de brevet de Hideo Kodama décrit un prototypage rapide de photopolymères durcis par lumière UV, sans commercialisation.
• 2019 : l’expiration de brevets et l’existence de projets open source portent à plus de 170 fabricants de systèmes d’impression 3D dans le monde.
• Une enquête de 2020 de Sculpteo porte sur 1600 entreprises et utilisateurs dans le monde.

💡 Astuce mémo

Kodama (UV) → Hull (SLA) → Deckard (SLS) → Crump (FDM) → boom marché.

📖 3. Applications et secteurs d’usage

🔑 Notions clés & Définitions

• Personnalisation de masse : Approche où le 3D printing sert à fabriquer des produits adaptés, tout en visant une logique de production à grande échelle.
• Pièces de remplacement : Usage orienté SAV/aftermarket visant des pièces destinées à réparer ou remplacer des éléments existants.
• Optimisation topologique : Démarche de conception qui vise à réduire la masse et à améliorer la tenue mécanique des pièces.
• Adaptation pour production : Conception orientée fabrication avec prise en compte du posage et des points de préhension.
• Maquette, architecture, bijouterie, art : Ensemble de cas d’usage mentionnés où l’impression 3D facilite des formes et objets de présentation ou créatifs.

📝 Points essentiels

• La personnalisation de masse, les pièces de remplacement, et les usages médicaux/dentaires figurent parmi les applications types citées.
• L’optimisation topologique peut réduire la masse de 50 à 90% et chercher une meilleure tenue mécanique.
• L’esthétique est mentionnée : design moderne, futuriste ou organique adapté à une pièce.
• L’adaptation pour production inclut des éléments comme le système de posage et la main de préhension.

💡 Astuce mémo

Personnaliser, réparer, optimiser, produire, créer.

📖 4. Chaîne de conception d’une pièce

🔑 Notions clés & Définitions

• Part Design : Étape de conception de la pièce qui précède le choix du polymère et l’impression.
• Choice of polymer : Étape où l’on sélectionne le polymère avant de déterminer l’imprimante et de lancer le procédé.
• Choice of 3D printer : Étape où l’on choisit l’imprimante correspondant au matériau et au procédé retenus.
• Slicer : Étape qui prépare les données pour l’impression en découpant le modèle en instructions d’impression.
• Post-process : Étape finale qui regroupe les opérations réalisées après impression pour obtenir la pièce finie.

📝 Points essentiels

• La chaîne présentée enchaîne Part Design, choix du polymère, choix de l’imprimante, puis impression de la pièce.
• Le slicer intervient entre la préparation et l’impression, avant le post-traitement final.
• Le schéma associe explicitement une étape d’impression de la pièce et une étape post-process distincte.

💡 Astuce mémo

Designer → Polymère → Imprimante → Slicer → Print → Post.

📖 5. Règles de conception additive

🔑 Notions clés & Définitions

• Règles de conception 3D printing : Ensemble de contraintes et recommandations de conception spécifiques à la fabrication additive.
• Couches visibles : Caractéristique de finition associée à certaines technologies FFF/FDM, liée aux couches de fabrication.

📖 6. Technologie FFF et FDM

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermoplastiques : Famille de matières citées comme compatibles avec l’impression FFF/FDM (ex : PP, PA, PC, ABS, PLA, PETG, etc.).
• Diamètre des fils : Paramètre matériel cité pour FFF/FDM avec des fils de 1,75 mm et 3 mm.
• Charges : Ingrédients ajoutés aux filaments (ex : fibres ou bois) pour modifier les propriétés de la matière.
• Finition en couches visibles : Aspect de surface mentionné comme typique du rendu obtenu sur la pièce finie.
• Supports dissolubles : Possibilité mentionnée pour éliminer des supports par dissolution dans certaines configurations.

📝 Points essentiels

• Les diamètres de fils indiqués pour FFF/FDM sont 1,75 mm et 3 mm.
• Des exemples de thermoplastiques listés incluent PP, PA6, PA12, PC, PETG, ABS, PLA, TPU/TPE/TPC, et d’autres.
• Le document mentionne des charges possibles (bois, fibres de verre, fibres de carbone, biosourcés).
• La finition peut montrer des couches visibles et permettre la dissolution des supports selon le cas.

💡 Astuce mémo

FFF/FDM : Fil (1,75 ou 3) + Matière + Charges + Couches visibles.

📖 7. Famille SLA et résines

🔑 Notions clés & Définitions

• mSLA : Variantes de la famille SLA mentionnées comme imprimantes de photopolymérisation.
• DLP : Variantes de la famille SLA mentionnées parmi les technologies à base de lumière pour polymériser une résine.
• CDLP : Variantes de la famille SLA mentionnées parmi les technologies de polymérisation de résines par lumière.
• Photo-initiateurs : Composants des résines qui déclenchent la polymérisation sous l’effet de la lumière.
• Compatibilité longueur d’onde : Condition selon laquelle le photo-initiateur doit correspondre à la longueur d’onde de la source lumineuse de l’imprimante.

📝 Points essentiels

• Les résines SLA contiennent des photo-initiateurs qui déclenchent la polymérisation par la lumière.
• Il doit y avoir compatibilité entre le photo-initiateur et la longueur d’onde de la source lumineuse de l’imprimante.
• Une résine réactive à 405 nm ne durcit pas sur une imprimante dont la source lumineuse est à 460 nm.
• Trois longueurs d’onde sont citées comme optimisées sur le marché : 365 nm, 385 nm et 405 nm.
• La puissance du faisceau et la réactivité de la résine interviennent aussi dans le choix, au-delà de la longueur d’onde.

💡 Astuce mémo

Bonne résine = bon λ (et la puissance compte).

📖 8. SLS, MJF et PolyJet

🔑 Notions clés & Définitions

• SLS : Procédé mentionné utilisant la poudre frittée par laser et pouvant produire des pièces auto-porteuses.
• MJF : Procédé de la famille SLS mentionné, associé à un temps de post-traitement chiffré dans le document.
• PolyJet : Technologie citée dans la liste des technologies disponibles, sans détails chiffrés ajoutés dans l’extrait.
• Surface granuleuse : Caractéristique de finition associée aux pièces issues du SLS mentionnées dans l’extrait.

📝 Points essentiels

• Pour le SLS, la surface peut être granuleuse et aucun support n’est nécessaire grâce à une structure auto-porteuse.
• Le SLS cite une précision dimensionnelle minimale de 150 à 200 μm et un investissement entre 7 000€ et 600 000€.
• Le SLS indique des coûts matière de 70€ à 120€/kg pour PA12 et un cas de production entre 1 et 10 000 pièces par an.
• Le document indique des temps de post-traitement : MJF 30 min et SLS (dans le même bloc post-traitement) comme procédé à traiter après impression.

💡 Astuce mémo

SLS = poudre + auto-porteuse + granuleux.

📖 9. Tranchage et post-traitement

🔑 Notions clés & Définitions

• Tranchage (slicer) : Étape de préparation qui découpe le modèle pour piloter l’impression image par image ou couche par couche.
• Post-traitement : Ensemble d’opérations après impression pour améliorer surface et/ou résistance mécanique.
• Résistance mécanique par post-cuisson : Effet mentionné : augmenter la résistance à la contrainte et à la pression via une opération de post-traitement.
• Surfaces lisses : Bénéfice attendu du post-traitement en améliorant le rendu de surface.
• Temps de post-traitement (FDM/SLA/MJF) : Durées mentionnées pour comparer rapidement l’effort de post-traitement selon la technologie.

📝 Points essentiels

• Le post-traitement est présenté comme apportant des surfaces plus lisses et une résistance mécanique accrue via post-cuisson.
• Le document relie le post-traitement à une réduction des ruptures de fatigue.
• Temps de post-traitement indiqué : FDM 10 à 15 min, SLA 45 min, MJF 30 min.

💡 Astuce mémo

Post-traitement : Lisse + Renforce + (FDM rapide, SLA long, MJF intermédiaire).

📅 Repères chronologiques

1. 1980Première demande de brevet pour un système de prototypage rapide de photopolymères durcis par lumière UV
2. 1983Invention du premier appareil de stéréolithographie (SLA) par Charles Hull
3. 1986Premier brevet d’impression 3D pour une machine SLA par Charles Hull
4. 1987Brevet pour procédé de frittage sélectif par laser (SLS) par Carl Deckard
5. 1989Expiration/expiration? (brevet délivré en 1989 à DTM, Inc.)
6. 2009Expiration du brevet FDM détenu par Stratasys et baisse du prix moyen des imprimantes FDM
7. 2019Expiration des brevets et développement de projets open source, avec plus de 170 fabricants

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre la compatibilité SLA par longueur d’onde : une résine réactive à 405 nm ne durcit pas avec une source à 460 nm.
2. Croire que le post-traitement est identique selon la technologie : les durées annoncées diffèrent fortement entre FDM, SLA et MJF.
3. Penser que la taille de série n’influence pas le choix du procédé alors que le document compare explicitement 1 million vs 500 pièces.
4. Oublier que, pour le SLS, le document indique l’absence de supports grâce à une structure auto-porteuse.
5. Réduire le choix FFF/FDM au seul matériau alors que le document liste aussi des paramètres matière (charges) et paramètres de fil (1,75/3 mm).
6. Penser que la conception additive se limite à imprimer : le schéma inclut aussi slicer et post-process distincts.

✅ Checklist Examen

1. Savoir citer les critères de choix du procédé : forme de la pièce, matière utilisée, précision des côtes et taille de la série.
2. Connaître l’exemple du PS peu utilisé en rotomoulage à cause de l’oxydation.
3. Savoir restituer les étapes de la chaîne présentée : Part Design, choix du polymère, choix de l’imprimante, impression, post-process, avec slicer dans le flux.
4. Savoir définir ce que la compatibilité résine/SLA implique : photo-initiateurs et longueur d’onde adaptée à la source lumineuse.
5. Pouvoir expliquer le cas 405 nm vs 460 nm tel que donné dans l’extrait.
6. Connaître les longueurs d’onde optimisées citées pour les résines : 365 nm, 385 nm et 405 nm.
7. Savoir citer des matières et paramètres FFF/FDM mentionnés : thermoplastiques listés, diamètre des fils (1,75 et 3 mm), et possibilité de charges.
8. Savoir les caractéristiques SLS données : auto-porteuse sans support, surface granuleuse et précision 150 à 200 μm.
9. Savoir au moins un ordre de grandeur économique SLS donné : investissement entre 7 000€ et 600 000€ ou coût matière 70€ à 120€/kg (PA12).
10. Savoir les durées de post-traitement indiquées : FDM 10–15 min, SLA 45 min, MJF 30 min.
11. Savoir les bénéfices attendus du post-traitement : surfaces lisses et augmentation de résistance (dont réduction de ruptures de fatigue).
12. Savoir restituer 3 repères historiques avec dates cités et inventeurs : Kodama (1980), Hull (1983 ou 1986) et Deckard (1987).