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FABRICATION ADDITIVE Le phénomène de la fabrication additive, plus couramment a

FABRICATION ADDITIVE Le phénomène de la fabrication additive, plus couramment appelé impression 3D, est désormais considéré comme l’une des révolutions majeures du XXIème siècle. Ce procédé de fabrication suscite un intérêt croissant chez les industriels, les chercheurs et les amateurs de nouvelles technologies. Il ouvre aussi la voie vers un nouvel écosystème industriel, économique, scientifique et social. La fabrication additive consiste, comme son nom l’indique, à fabriquer des pièces en superposant des couches de matière. Ce type de production se place en contraste avec les procédés de fabrication classiques comme l’usinage, le forgeage et le moulage où il s’agit plutôt de raisonner sur l’enlèvement de la matière, l’action d’une force extérieure ou le changement d’état. En effet, à partir d’un objet 3D conçu moyennant la CAO ou scanné en 3D, un logiciel spécifique à l’impression 3D permet de définir les tranches des différentes couches qui devraient être superposées pour réaliser cet objet. Ce découpage est par la suite envoyé à l’imprimante qui dépose la matière couche par couche tout en faisant attention au processus de solidification de la matière. D’année en année, le prix des imprimantes 3D est en baisse tandis que leurs performances ne cessent de croitre. Selon le rapport de Wohlers Associates (Wohlers, 2016) l’un des organismes les plus réputés dans l'analyse et la prospection du domaine de la fabrication additive (FA), l’industrie de la FA a vu une progression de son Taux de Croissance Annuel Moyen (TCAM) de 25,9 % en 2015 ce qui se chiffre à environ 5 milliards de dollars américains. En 2015, il y avait 62 producteurs de machines FA à l’échelle industrielle contre 49 en 2014 et 31 en 2011. Ces chiffres ne peuvent que montrer à quel point l’industrie du FA s’avère prometteuse. Concernant le volet du cout de production, la particularité de la FA est que le cout de production par pièce est plus élevé que les procédés de fabrication classiques. Par contre, le cout des machines-outils est quasiment nul (Conerly, 2014). De ce fait, pour une production à grande série, les procédés de fabrication classique s’avèrent plus économiques. Par contre, pour les petites séries, le cout des machines- outils fera que le cout de production par pièce sera exorbitant. Et c’est là où la FA s’avère plus intéressante. Le graphe suivant illustre la variation du cout de production par pièce par FA et par la fabrication classique : L’impression d’un objet en 3D est un processus qui peut durer entre quelques minutes et plusieurs jours. Tout commence par la conception de l’objet à partir d’un logiciel de CAO (CATIA, SolidWorks, ProEngineer par exemple). Le fichier 3D obtenu, le plus souvent en format. STL, est découpé en plusieurs couches via un logiciel dénommé « Slicer » (comme Makerware, Cura, Slicer ou Repetier), avant d’être envoyé à la machine. L’impression 3D démarre par le réglage de la température afin de faire fusionner la matière avec laquelle on va imprimer. Une fois la tête d’impression chauffée, un fil de matière, de l’ordre de 0.1 millimètre de diamètre, est alors extrudé sur une plateforme à travers une buse. On injecte couche par couche jusqu’à impression de l’objet. Cette technologie est compatible avec un large choix de polymères thermoplastiques (ABS, Polycarbonate, PLA), ce qui se traduit par une grande gamme de couleurs (98% des couleurs de Photoshop sont disponibles), d’excellentes propriétés mécaniques et de biocompatibilités. En plus, il est aussi possible d’imprimer avec des filaments de bois et de pierre (LayWood et LayBrick respectivement), et de la céramique et des matières alimentaires en faisant des adaptations au niveau de la tête d’extrusion. En conséquence, le dépôt de matière fondue est utilisé dans de nombreux domaines : l’aérospatiale, l’automobile, l’architecture, le médical, la décoration, l’art et la cuisine, autant pour le prototypage rapide que pour la fabrication de pièces fonctionnelles (SANCHEZ, L’impression 3D par dépôt de matière fondue, on vous explique tout !, 2013). Il existe trois grandes catégories de technologies d’impression 3D : Le FDM (Fuse Deposition Modeling) La technologie, plus connue sous son nom anglais de ‘Fused Deposition Modeling’ (FDM) ou Modelage par Dépôt de matière en Fusion consiste à porter à la fusion de petites gouttes de matière plastique (Souvent le plastique de type ABS – celui des Lego) qui créent la forme couche après couche. Une fois que la goutte quitte l’applicateur, elle durcît de manière quasi‐immédiate tout en se fondant avec les couches inférieures. C’est le procédé de loin le moins coûteux et c’est sur lui que se reposent aujourd’hui la grande majorité des imprimantes 3D grands publics. Outre le plastique ABS, les plastiques PLA (Polylactic Acid) et des polymères biodégradables peuvent utiliser pour ce type de procédés. La SLA (Stereolithography Apparatus) On concentre un rayon ultraviolet dans une cuve remplie de photopolymère (un matériau synthétique dont les molécules se modifient sous l’effet de la lumière la plupart du temps ultraviolette). Le Laser ultraviolet travaille le modèle 3D souhaité couche après couche. Quand le rayon frappe la matière, cette dernière se durcît sous son impact tout en se liant aux couches adjacentes. À la sortie de la cuve, on obtient une forme à la résolution remarquable et, la matière non frappée par le laser peut être utilisée pour le prochain objet. Le SLS (Selective Laser Sintering) Cette technologie est proche de la Stéreolythographie mais sans la cuve remplie de polymère. Des matières dures (sous forme de poudre) comme le polystyrène, le verre, le nylon, certains métaux (dont le titane, l’acier ou l’argent) ou de la céramique sont frappées par un laser. Là où le laser frappe, la poudre s’assemble pour créer la forme. (SANCHEZ, Frittage Sélectif par Laser, on vous explique tout !, 2013) Processus de Fabrication Additive Pour imprimer un objet sur une imprimante 3D il faut passer par les étapes suivantes : Dessiner ou scanner l’objet 3D en format CAD et le convertir en un fichier ayant le format STL Décomposer l’objet STL à imprimer en couches à l’aide d’un Slicer Création du fichier G-code Charger le fichier G-code dans le logiciel qui pilote l’imprimante 3D Le format STL ou Standard Tessellation Language est un format utilisé dans les logiciels de stéréolithographie pour faire du prototypage rapide ou de la fabrication assistée par ordinateur (Computer Aided Manufacturing, CAM). Le format STL définit un objet en 3D uniquement sur sa surface externe en subdivisant celle-ci en triangles comme l’indique la figure ci-dessous : Le fichier STL est par la suite acheminé vers un Slicer qui est l'outil de conversion d’un modèle 3D en instructions d'impression pour les imprimantes 3D. Il décompose d’abord le modèle en tranches horizontales (couches) puis génère les instructions pour contrôler le mouvement des axes, fixer les trajectoires que la buse d’injection doit suivre, calculer la quantité de matière à extruder, déterminer la température d’injection, etc. Toutes ces taches sont structurées sous forme d’un G-code qui contient l’ensemble des instructions pour contrôler l’imprimante. Le G-code est un langage utilisé principalement dans la fabrication assistée par ordinateur pour contrôler les machines automatisées. (Bell, 2015) Parmi les Slicer les plus utilisés, on peut citer Slic3r qui peut être installé comme un plug sur OctoPrint. (Slic3r Générateur de code G pour les imprimantes 3D, s.d.) Du côté de l’imprimante 3D, celle-ci a besoin d’un logiciel appelé Firmware qui lui permet de lire les instructions du G-code et les traduire en actions couche par couche. Le Firmware comprend aussi les instructions de mise en fonctionnement et de réglage de l’imprimante. (Bell, 2015) Traditionnellement, l’imprimante est connectée à un ordinateur à sa proximité où l’opérateur doit être physiquement présent pour pouvoir lancer et superviser le processus d’impression (qui peut parfois durer plusieurs jours). En effet, en éliminant la connexion à l’ordinateur, une source de défaillance d’impression est par la suite éliminée. Effectivement, un fichier gcode est envoyé ligne par ligne par le PC à l’imprimante et lorsqu’une coupure survient c’est l’impression qui s’arrête, la tête d’impression libère sa pression en coulant un peu de filaments engendrant ainsi l’apparition d’une goute au point d’arrêt. La reprise de l’impression est ardue même si elle est possible et les chances de voir une ligne de démarcation sur la pièce finale sont élevées. Les coupures dues à l’ordinateur peuvent survenir lors de : • Mises à jour automatiques • Mises en veille • Redémarrage (mise à jour) et manque de charge (laptop) • Distraction lorsqu’on utilise l’ordinateur en même temps pour d’autres tâches. L’installation d’OctoPrint est intéressante dans le sens où elle permet de se connecter à partir d’une page web depuis un pc ou un mobile. Toutes les fonctions sont bien intégrées dans la page web, glisser/déposer les fichiers gcode, lancer l’impression etc. Il est aussi possible de lui ajouter une webcam et d’avoir une vision en direct intégrée avec les boutons de contrôle. L’avantage évident est de pouvoir garder un œil sur l’impression alors qu’on est ailleurs. Une autre fonction intéressante est de pouvoir filmer l’impression ou en assemblant des captures prises aux 10 secondes ou à tous les changements de couche ce qui uploads/Industriel/ 2-fabrication-additive.pdf