Impression 3D : Vers la prochaine révolution industrielle ?

par Yahya Abderrafai et Li He,
doctorants à l'École Polytechnique de Montréal

YAHYA ABDERRAFAI prépare une thèse sur la conception bio-mimétique et la fabrication par impression 3D de matériaux composites avancés. Il s’inspire de la structure des écailles du Polypterus Senegalus, un poisson préhistorique, afin de créer des matériaux imprimables de haute ténacité et résistance.

YAHYA ABDERRAFAI prépare une thèse sur la conception bio-mimétique et la fabrication par impression 3D de matériaux composites avancés. Il s’inspire de la structure des écailles du Polypterus Senegalus, un poisson préhistorique, afin de créer des matériaux imprimables de haute ténacité et résistance.

LI HE est dans le domaine des Analyses des données des transports. Son sujet de recherche est l'Évaluation des changements de comportement des usagers de la carte à puce du transport en commun en utilisant la technologie de l’exploration des données.

LI HE est dans le domaine des Analyses des données des transports. Son sujet de recherche est l'Évaluation des changements de comportement des usagers de la carte à puce du transport en commun en utilisant la technologie de l’exploration des données.

Depuis les deux révolutions industrielles, on a toujours considéré qu’il y a quatre familles de fabrication : soustractive, par déformation, par fusion et par assemblage. Cela a donné lieu aux formes “industrielles” que l’on connaît. On ne fait pas de trou carré par exemple, car pour le faire, il faudrait passer beaucoup de temps pour, et dépenser énormément d’argent. On privilégiera les cercles et cylindres, car c'est plus facile à faire en tournage. On utilisera les polymères et métaux, car on sait fabriquer ces matériaux facilement. On collera et soudera des tuyaux cylindriques pour transporter liquides et gaz…. Toutes ces contraintes seront cristallisées dans la formation des ingénieurs, à qui l’on enseignera à concevoir non pas les meilleures géométries, mais celles que l’on peut aisément fabriquer. On enseignera aux managers de privilégier les produits qui peuvent aisément se vendre par milliers d'exemplaires identiques, aux agents de marketing de faire en sorte qu’un seul produit puisse plaire au maximum de personnes, et surtout au client, de se satisfaire d’un produit qui ne correspond pas tout à fait à ses attentes, mais qui s’en approche : Le paradigme de la fabrication de masse existe et triomphe depuis Ford.  

Paradoxalement, on a recours à une méthode très différente pour fabriquer les maisons : On pose les briques en ligne, puis les une sur les autres afin de faire des murs. En quelque sorte, on fabrique par addition de matière depuis la nuit des temps. Mais il faudra attendre 1981, pour que Hideo kodama invente le premier procédé de fabrication additive, la stéréolithographie. Invention qui sera peaufinée, nommée et brevetée par trois ingénieurs français de la CGE, puis abandonnée par la compagnie car peu d’applications apparaissaient. Enhardi par cette dernière décision de la CGE (actuelle Alcatel), Chuck Hull développe le format de fichiers 3D STL ainsi que la base de la commande informatique de l’impression 3D et développe le prototype ainsi que la première compagnie d’impression 3D, 3D Systems, en 1984.

La stéréolithographie est une méthode de fabrication qui utilise la polymérisation d’une résine sensible aux UV couche par couche. Viendra dans la même décennie la FDM, qui dépose des filaments de plastique fondu, ou les technologies dites “lit de poudre”, qui utilisent la puissance d’un laser pour fusionner des poudres de métaux, céramiques et plastiques, et feront leurs apparitions dans les années 90.

À ce point de l’histoire, on peut se faire deux remarques. La première est qu’en plus d'être “évidente” comme procédé de fabrication, elle permet de transgresser les règles classiques de la fabrication de masse, mais l’impression 3D peine à convaincre. Le deuxième point qui aurait pu être soulevé par le lecteur est que si l’impression 3D existe depuis les années 80, comment se fait-il que c'est seulement depuis quelques années que l’on en entend parler ? C’est parce que ces technologies resteront prisonnières de ce qui est censé les protéger : des brevets.

3D Systems, Stratasys, EOS et bien d’autres ont mis au point divers processus d’impression 3D permettant la fabrication d’une large gamme de matériaux, avec diverses application finales en vue pour chacun. Afin de protéger leurs innovations, ils ont eu recours à des brevets. Bien que légitime, cela a permis à une poignée d’entreprises de bénéficier d’un monopole singulier dans le domaine. Les premières machines coûtent plusieurs dizaines de milliers de dollars au minimum ! Sans parler du prix exorbitant des matières premières, des logiciels de contrôle, ou de la maintenance. Seuls quelques groupes industriels ou universités nanties peuvent se les procurer, limitant l'usage de ces machines, ce qui est paradoxal dans le cas du prototypage.

Le principe de fonctionnement reste simple, même si les processus physiques diffèrent : à l’aide d’un robot tridimensionnel, on vient déposer ou solidifier ligne par ligne, couche par couche de la matière. Que ce soit des lasers ou des buses chauffantes, il s’agit de mouvements simples à réaliser sur trois axes. Une fois que la physique de la solidification est maîtrisée, on n’a pas forcément besoin d'énormément de moyens pour faire une imprimante. C’est ce qui a eu lieu avec le projet RepRap.

En 2005, alors que les brevets de FDM arrivent à échéance, un professeur de l’université Bath, Dr Adrian Bowyer, décide de lancer un projet visant la mise au point de machines capables de se répliquer : Une machine capable de fabriquer des machines identiques. Concernant la technologie FDM (filament fondu) et créée sous licence publique générale GNU, en open source. Le projet a donc permis à des ingénieurs, des designers, des éducateurs et hobbyistes de se lancer dans la fabrication additive et de proposer des designs de machine. Les forums commencent à se remplir de conseils et de STL de pièces (fichiers 3D libres). Les développeurs ne sont pas en reste et commencent à créer des logiciels libres (slicer ou trancheur) permettant le contrôle de n’importe quelle machine d’impression 3D. Avec quelques clics, n’importe qui peut retrouver les plans, les logiciels, la liste des objets à acheter comme des moteurs et des vis, afin de créer soi-même son imprimante. Aujourd’hui, avec 300$, on peut commander un kit complet d'imprimante 3D puis la monter et l’utiliser avec les conseils de la communauté. Un autre phénomène est en essor au même moment, celui des Fablabs.

Sur un plan commercial, on voit l’apparition de Makerbot, Formlabs, Ultimaker… Des ingénieurs décident de reprendre ces plans open source, refaire les conceptions, les firmwares et commercialisent leurs machines. Un peu plus onéreuses, mais plus faciles à utiliser et plus fiables que les design et kits Reprap, ces machines font leur apparition dans les Fablabs, bibliothèques, bureaux, ateliers et laboratoires. Dorénavant, les imprimantes 3D font partie du décor de la création, de la recherche, de l'éducation et de l’industrie. On n'hésite plus à imprimer pour vérifier le rendu, et surtout, on n’a pas besoin de passer plusieurs années d'études pour apprendre à fabriquer. On se permet des formes et géométries que l’on pensait impossibles, on crée des produits personnalisés pour chaque client, on utilise juste ce qu’il faut d'énergie et de matière et on n’a plus besoin d’usines pour fabriquer, un atelier ou un “3D print shop” suffit. Tout ce qui est nécessaire pour la prochaine révolution industrielle.