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Reportages

Impression 3D: Le futur fait bonne impression

Par Marine Corniou - 17/02/2014

L’engouement est général. Avec l’arri­vée massive des imprimantes 3D, certains voient déjà se fermer les usines du monde entier. Le début d’une nouvelle révolution industrielle?

La collection est pour le moins éclectique. Sur la table se côtoient une réplique de tube de dentifrice, une tête réduite de dieu égyptien, des figurines de la Guerre des étoiles, une sandale miniature et toute une série de bijoux dentelés et d’objets décoratifs d’une finesse surprenante.

Réalisés en plâtre coloré, ces objets ont un point en commun: ils ont été «imprimés» à l’Université Concordia, dans un atelier du département de design et d’arts numériques. Point d’ouvriers méticuleux ici, mais plutôt une machine de la taille d’une grosse photocopieuse, qui dépose (avec des têtes d’impression standard) un mélange d’encre et de colle sur de la poudre de plâtre pour la solidifier et produire, couche par couche, n’importe quel objet à partir d’un fichier numérique.

Comme de plus en plus d’universités, Concordia a récemment investi dans les imprimantes 3D. Le département de design et d’arts numériques possède trois autres machines, mises à la disposition des chercheurs et des étudiants, qui permettent cette fois d’imprimer des pièces en plastique. De quoi créer, en quelques heures, des morceaux uniques, des maquettes plus vraies que nature et des prototypes d’une complexité inédite.

Car, en fabriquant les objets par empilement de couches successives plutôt que par soudure, moulage ou enlèvement de matière, l’impression 3D, aussi appelée fabrication additive, permet de s’affranchir des contraintes géométriques. On peut donc construire en un seul morceau des formes imbriquées, entrelacées ou présentant des parties mobiles. Il devient possible, par exemple, d’imprimer des poupées russes d’une seule traite!

L'impression 3D se démocratise

«Cette technologie existe depuis près de 30 ans, mais elle se démocratise à toute vitesse. Le prix des imprimantes a chuté, leur performance s’est améliorée et on offre maintenant de plus en plus de modèles d’imprimantes 3D à 1 000 $ pour le grand public», résume Pete Basiliere, analyste spécialiste de l’impression 3D pour la firme états-unienne de conseil en technologie Gartner. Selon un rapport récent de Gartner, les ventes des imprimantes 3D (à moins de 100 000 $) devraient bondir de près de 2 000% d’ici 2017!

Ainsi, qu’on utilise des plans en libre accès, qui foisonnent sur Internet, ou un scan­ner 3D pour «recopier» un objet exis­­tant, il est désormais facile de fabriquer des pièces d’échecs, des coques pour cellulaire, des poignées de porte, une guitare électrique ou des jouets… N’importe qui peut fabriquer tout et n’importe quoi, ou presque, dans son garage et en quel­ques clics.

Mais le potentiel de la fabrication additive va bien au-delà de ces «bébelles» et autres bibelots en plastique. Ce que les industriels et les chercheurs ont déjà bien compris, notamment en médecine. La fabrication en 3D de hanches en titane, de prothèses auditives ou d’implants dentaires adaptés à chaque patient est devenue, en quelques années, monnaie courante.

Et ce n’est que le début : récemment, aux Pays-Bas, une femme atteinte d’une grave maladie inflammatoire s’est fait greffer une mâchoire inférieure en titane parfaitement adaptée à sa morphologie.

Quand l'industrie s'y intéresse

Du côté de l’aéronautique aussi, les constructeurs s’enthousiasment pour la fabrication additive. Boeing a installé ou conçu plus de 22 000 pièces produites par impression 3D dans ses avions, du moteur à la décoration de cabine. Au Québec, dans l’usine de Mirabel, Pratt & Whitney prévoit incorporer jusqu'à 25 éléments fabriqués en 3D dans le moteur du CSeries de Bombardier... Et en décembre 2013, le groupe britannique BAE Systems, spécialisé dans la défense et l’aérospatiale, a fait voler pour la première fois un avion de chasse équipé de pièces issues de l'impression 3D (dans le système d'arrivée d'air et le train d'atterrissage).

Même la NASA, qui a mis à feu, en août 2013, un moteur de fusée dont l'injecteur avait été imprimé en 3D s’apprête à envoyer dans l’espace une petite imprimante pour que les astronautes de la station spatiale internationale puissent fabriquer sur place des outils ou des pièces de remplacement. Elle finance aussi un projet d'imprimante à nourriture, destinée à produire, entre autres, des pizzas intersidérales…

« La fabrication additive a longtemps été cantonnée à l’industrie de pointe pour faire des prototypes : on l’appelait – et on l’appelle encore parfois – le prototypage rapide. Aujourd’hui, elle est de plus en plus utilisée pour fabriquer des pièces fonctionnelles », souligne Vladimir Brailovski, professeur de génie mécanique à l’Ecole de technologie supérieure (ÉTS) à Montréal, et coordonnateur du centre de fabrication additive semi-industrielle qui devrait ouvrir cet été à l’ÉTS.

Une foule de procédés

« Il ne s’agit pas d’une seule technologie, mais d’un ensemble de procédés, et c’est l’amélioration de chacun d’eux, y compris des lasers et des logiciels de conception 3D, qui permet l’essor actuel de la fabrication additive », poursuit-il. Sans parler de la généralisation d’Internet et du partage des fichiers numérisés, qui multiplient les champs d’application. Face à un tel engouement, les machines d’impression 3D ne cessent de se diversifier. Elles utilisent aujourd’hui, comme matières premières, des plastiques et des résines, de la cire, du plâtre, des métaux (y compris de l’or), des céramiques, mais aussi du béton ou du chocolat ! En janvier dernier, le producteur de pâtes Barilla a annoncé s’être allié à une entreprise hollandaise pour tenter d’imprimer des pâtes avec des formes personnalisées. Effet de mode oblige, tous les milieux, de l’industrie à la dentisterie en passant par le militaire, le design, la mode, la joaillerie, s’intéressent au 3D. A tel point qu’en 2012, la revue The Economist a qualifié le phénomène de troisième révolution industrielle.

Il faut dire que le changement est réel : les produits sont stockés sous forme numérique – quelle économie d’espace ! – , ils sont personnalisables et modifiables à l’envi, fabricables à l’unité, sur mesure, localement et non plus en Chine ou en Inde… Finie la production de masse, place à l’innovation. La création à portée de main ! Du coup, pas une semaine ne se passe sans que la presse internationale souligne une nouvelle prouesse de l’impression 3D. Avec des applications aussi variées qu’improbables : un bec fait sur mesure pour un aigle mutilé, une voiture hybride (nommée Urbee 2), un Stradivarius en polymère, une robe haute couture, mais aussi des prothèses de bras pour des enfants soudanais ou des armes à feu.

« Comme toute nouvelle technologie, il y a une phase d’euphorie, durant laquelle on explore toutes les directions possibles. C’est ce qui se passe actuellement avec la fabrication additive. Mais la technique est intéressante surtout pour la fabrication de pièces à haute valeur ajoutée », estime Vladimir Brailovski, qui s’intéresse particulièrement à la synthèse de pièces métalliques.

Produire des pièces complexes, impossibles à usiner autrement, voilà la prouesse technique qu’accomplissent les imprimantes 3D.

« Grâce à la fabrication additive, on peut combiner de façon parfaitement contrôlée des céramiques et des poudres métalliques, par exemple. On peut même faire varier leur concentration dans l’objet, pour obtenir un gradient de résistance à la température, un gradient de porosité, ou une architecture plus ou moins dense », indique l’ingénieur.

La médecine sur mesure

Une flexibilité qui enchante, entre autres, les milieux médicaux : il est déjà possible de scanner et de numériser une partie du corps, et de la restituer en « densité réelle ». Idéal pour apprendre l’anatomie ou s’entraîner, par exemple, à placer des implants dentaires. Idéal aussi pour fabriquer du cartilage artificiel ou reproduire l’architecture spongieuse complexe de l’os. C’est ce qu’ont fait des chercheurs du Massachussets Institute of Technology en 2013, en imprimant deux polymères en fines couches de quelques micromètres et en imitant la géométrie osseuse naturelle. Résultat : l’os artificiel ainsi bâti est 22 fois plus résistant que les polymères à l’état brut. Mais ce n’est pas tout. Ces « échafaudages » artificiels peuvent être garnis de cellules souches humaines pour former des organes de synthèse (une oreille en cartilage a récemment vu le jour). D’ailleurs, depuis peu, il est aussi possible d’imprimer directement des cellules, une par une, grâce au bioprinting, ou même des médicaments, molécule par molécule.

Sans limites, la 3D ? « C’est une technologie très puissante, affirme Vladimir Brailovski. Si on devait résumer en un mot ses avantages, ce serait ‘liberté’. Il n’y a potentiellement pas de limites, on peut créer les formes qu’on veut, sans assemblage, sans augmentation des coûts. » Alors qu’avec les techniques traditionnelles d’usinage, plus l’objet est complexe, plus il est cher à produire, il n’en est rien avec l’impression 3D. Une pièce coûte le même prix, qu’elle soit produite à l’unité ou par série de 10 000.

« Le groupe GE aviation a imprimé un injecteur de carburant en un seul morceau, pour remplacer son injecteur habituel composé de 22 pièces, indique Pete Basiliere. C’est moins cher, plus fiable… Mais l’avantage majeur, c’est qu’ils peuvent designer cet injecteur de façon différente, pour réduire la consommation globale de carburant. » Un changement radical dans la façon de concevoir des pièces. « On n’est plus limité par la technologie : on peut maintenant optimiser les pièces en amont, repenser l’innovation, ajoute Vladimir Brailovski. C’est potentiellement révolutionnaire. »

La fin des pièces usinées?

Est-ce pour autant la fin de la forge et de la production de masse, comme certains enthousiastes se plaisent à le prédire ? « L’impression 3D ne remplacera jamais l’industrie classique, répond sans hésiter Pete Basiliere. On est encore loin de pouvoir imprimer un objet fait de plusieurs matières, ou de plusieurs composantes, comme un téléphone portable. Disons que les objets associeront probablement de plus en plus des composantes classiques, usinées, et des parties personnalisées par la 3D. À l’instar des prothèses auditives que je porte, dont le micro est fait en chine mais dont l’oreillette est fabriquée sur mesure en 3D ».

Aussi prometteuse soit-elle, la fabrication additive, même industrielle, n’est qu’à l’aube de son développement. Alors que des dizaines de milliers de matériaux sont utilisés chaque jour pour produire les objets d’usage courant, les imprimantes 3D ne travaillent qu’avec 200 matériaux environ, sous forme de poudres ou de filaments, encore très coûteux (50 à 100 fois plus chers que ceux utilisés pour le moulage par injection plastique, notamment).

De plus, il faut plusieurs heures pour imprimer un objet de quelques centimètres, et le format final se limite encore à environ 30 cm3. Enfin, l’opération n’est pas aussi simple que d’ouvrir un document Word et de cliquer sur la fonction Imprimer. « Les logiciels sont complexes à maîtriser, il faut pouvoir visualiser les plans en 3D. Mais c’est une question d’habitude, et partout dans le monde, les étudiants commencent à se familiariser avec la fabrication additive », indique l’analyste.

En attendant que cette nouvelle génération d’experts arrive sur le marché du travail, de nombreuses entreprises proposent leurs services de fabrication additive, à l’instar de la société française Sculpteo, qui entend devenir « le Paypal de l'impression 3D en ligne ».

Services en 3D

À Montréal, dans le quartier Rosemont, Olivier Smiljanic s’est lancé dans le prototypage en 2010, en créant Fablab. Dans son local, qui ressemble à un hangar, au milieu de de cartons et d’outils, trônent quatre imprimantes 3D futuristes qui s’activent sans relâche pour des particuliers, des entreprises ou des artistes. Olivier Smiljanic fouille dans une petite boîte et en extirpe toutes sortes d’objets fabriqués sur place : une clé à molette, une figurine de monstre, une tour de jeu d’échecs, un connecteur pour carte électronique.

« Nous recevons des commandes très diverses. Un papa vient de m’appeler pour commander une poupée pour sa fille. Nous avons aussi construit le mobilier de l’usine de Bombardier à l’échelle 1/100, qui voulait organiser ses locaux de façon plus concrète qu’avec des plans en deux dimensions », précise-t-il. Dans un coin, un employé s’apprête à coller de grands panneaux de plastique pour terminer une maquette. Un autre bricole au fer à souder un modèle artisanal d’imprimante 3D.

Parce qu’Olivier Smiljanic entend bien surfer sur la vague : il veut commercialiser ses propres imprimantes, et réaliser son rêve de mettre au point une machine capable d’imprimer non pas du plastique, mais du métal sous forme de nanoparticules… De quoi réussir des alliages intéressants à moindre coût, en « vaporisant » des fils de métal. L’entrepreneur, titulaire d’un doctorat en nanotechnologie, n’en dira pas plus, mais il a déjà déposé un brevet...


Photo: Makerbot
 




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