L’impression 3D en couleur

Publié le 4 avril 2009 et mis à jour le 12 avril 2009 - 11 commentaires -

Voici un petit inter­lude tech­no­lo­gique après tous ces articles trai­tant de la poli­tique de l’innovation ! En plus, au lieu de gam­ber­ger sur l’immatériel, nous allons trai­ter de la rema­té­ria­li­sa­tion !

Dans mon der­nier rap­port de visite du Consu­mer Elec­tro­nics Show 2009, j’avais consa­cré deux pages aux solu­tions d’impression 3D (pages 135 et 136 du PDF) . J’y décri­vais trois impri­mantes “3D” sor­ties dans le cou­rant de l’année 2008 ou sur le point de sor­tir et qui visaient à faire des­cendre le prix de ce genre de tech­no­lo­gie des­ti­née au pro­to­ty­page d’objets pour l’industrie et la recherche :

• Desk­top Fac­tory qui cible un prix infé­rieur à $1000 sachant que leur pre­mier modèle n’est tou­te­fois pas encore com­mer­cia­lisé et qu’il démar­rera plu­tôt dans les $5K. Son impri­mante uti­lise une fibre plas­tique blanche dépo­sée en couches. Elle peut-être ensuite peinte et/ou ver­nie. J’avais pu prendre en main des pièces pro­duites lors de Capi­tal Week en 2008 et leur aspect fibreux les des­ti­naient clai­re­ment au prototypage.
• Ala­ris 30 Desk­top 3D Prin­ter de l’israélien Objet qui uti­lise le “Poly­Jet Pho­to­po­ly­mer Jet­ting” avec une réso­lu­tion de 600dpi. Les résines uti­li­sées peuvent être opaques, trans­pa­rentes et même souples, ce qui apporte une plus grande flexi­bi­lité pour le pro­to­ty­page que la Desk­top Factory.
• Mcor Matrix qui uti­lise du papier A4 et une colle spé­ciale ! Inté­res­sante. Les pièces ainsi fabri­quées ne sont pas bien solides mais le consom­mable est très bon marché.

Il se trouve que j’ai décou­vert récem­ment un peu par hazard qu’il exis­tait un solu­tion d’impression 3D en cou­leur à base de jet d’encre. Par le tru­che­ment de la société 3D Ave­nir que j’ai ren­con­tré lors d’une inter­ven­tion sur les tech­no­lo­gies de la haute défi­ni­tion vidéo et photo chez un client. La société dis­tri­bue les impri­mantes 3D cou­leur de l’américain Z Cor­po­ra­tion, visi­ble­ment uniques en leur genre. Elle existe depuis 1994 et emploie 160 per­sonnes. Elle a été lan­cée au départ sur des tra­vaux de recherche du MIT et com­mer­cia­lisé sa pre­mière impri­mante 3D cou­leur en 2000. En 2005, ses impri­mantes 3D cou­leur deve­naient haute défi­ni­tion (avec la Z510), sup­por­tant 600 dpi dans toutes les direc­tions et sur un for­mat pou­vant atteindre 25x35x20cm.

Ces impri­mantes “3D cou­leur” per­mettent de réa­li­ser des pro­to­types de pièces en cou­leur dans la masse. C’est tout bon­ne­ment extra­or­di­naire si l’on n’y est pas habi­tué et je vou­lais par­ta­ger cela avec vous. Le monde de la rema­té­ria­li­sa­tion des objets numé­riques est assez fascinant !

Com­ment ça marche

Z Corp pro­duit plu­sieurs modèles d’imprimantes. Ce sont de grosse babasses qui font plus de un mètre de large, comme ci-dessous.

Leur prin­cipe de fonc­tion­ne­ment est le sui­vant (vidéo expli­ca­tive ici) :

• Cela com­mence avec une pano­plie logi­cielle qui récu­père des modèles 3D pro­ve­nant des prin­ci­paux logi­ciels de CAO du mar­ché comme Auto­CAD, CATIA, 3ds MAX et Solid­Works. Ces logi­ciels véri­fient que les modèles sont bien impri­mables, per­mettent d’y ajou­ter des marques et ensuite de pilo­ter les impri­mantes 3D.
• Un pla­teau dans un bac est recou­vert d’une couche d’un dixième de mil­li­mètre de poudre très fine. Une racleuse de pré­ci­sion s’assure que la couche est bien aplanie.

• Une impri­mante à jet d’encre imprime une couche en cou­leur sur cette poudre. Elle cor­res­pond à une coupe du ou des objets à impri­mer. L’impression uti­lise cinq têtes à jet d’encre pour les cou­leurs pri­maires sous­trac­tives (cyan, magenta, jaune, noir) ainsi que pour la trans­pa­rence, le tout en 24 bits donc avec une gra­da­tion par­faite des cou­leurs. La par­tie de la poudre non impri­mée reste en place autour de la couche du modèle, main­te­nant les objets en cours de créa­tion et sans néces­si­ter d’attaches ou de points d’appui.

• Le pla­teau des­cend ensuite d’un dixième de mil­li­mètre et est à nou­veau recou­vert d’une couche de poudre, et l’impression de la couche sui­vante peut alors inter­ve­nir. Le pro­ces­sus prend plu­sieurs heures à rai­son de une à deux heures par cen­ti­mètre de hau­teur. Un cen­ti­mètre équi­vaut à une cen­taine de pas­sages soit donc un peu moins d’une minute par couche.
• A la fin de l’impression, la poudre qui n’est pas impri­mée mais est res­tée com­pacte, est enle­vée des pièces impri­mées par simple aspi­ra­tion et net­toyage avec un pis­to­let à air com­primé. La poudre évacuée est recy­clée pour être réuti­li­sée à la pro­chaine impression.

Selon la poudre qui est uti­li­sée, les pièces résul­tantes sont soit des pro­to­types solide clas­siques, soit souples (comme avec un élas­to­mère), soit des moules résis­tants à la tem­pé­ra­ture pour de la fon­de­rie de métaux non fer­reux comme l’aluminium.

La récente Z-Printer 650 pro­duit des modèles allant jusqu’à 25x38x20cm ce qui per­met de pro­to­ty­per des objets de belle dimen­sion. Sachant qu’une impres­sion peut fabri­quer plu­sieurs pièces simul­ta­né­ment, qui auront été arran­gées vir­tuel­le­ment, puis réel­le­ment, dans le bac d’impression.

Le résul­tat est impres­sion­nant de réa­lisme. Voici un pre­mier exemple d’objet ainsi imprimé en 3D. Il n’est évidem­ment pas fonc­tion­nel mais méca­ni­que­ment et phy­si­que­ment res­sem­blant au pro­duit fini. J’ai pu le mani­pu­ler et il avait été imprimé dans la masse. Il aurait pu être imprimé avec uni­que­ment une coque. Dans ce cas, il aurait fallu y inté­grer un petit trou qui aurait servi à évacuer la poudre à l’intérieur de la coque.

Voici un autre exemple, sachant qu’il n’a pas été imprimé avec chaque pièce déta­chée à part, mais – si j’ai bien com­pris - direc­te­ment monté, la réso­lu­tion étant suf­fi­sante pour bien sépa­rer les pièces méca­niques de cet assem­blage qui est donc fonc­tion­nel et dont on pourra tes­ter la ciné­ma­tique com­plète. On peut aussi impri­mer des coupes expli­ca­tives du fonc­tion­ne­ment interne d’objets complexes.

Et un autre exemple pour de l’architecture qui montre bien l’intérêt de cette tech­no­lo­gie. Aucune autre solu­tion ne per­met de créer ce genre de modèle aussi rapi­de­ment. Avec une impri­mante “mono­chrome”, il fau­drait faire peindre le modèle et le résul­tat serait à la fois plus long à obte­nir et cer­tai­ne­ment bien moins propre.

Les appli­ca­tions sont mul­tiples. A com­men­cer bien entendu par le pro­to­ty­page de pièces méca­niques et d’objets divers, comme des chaus­sures Ree­bok souples. Mais aussi dans la santé pour créer des modèles 3D d’organes à opé­rer pour les chi­rur­giens avec os, vais­seaux et nerfs en cou­leur. L’imprimante per­met aussi de créer des pièces impos­sibles à fabri­quer de manière indus­trielle avec des enche­vè­tre­ments méca­niques tordus.

La poudre uti­li­sée dans le pro­ces­sus d’impression est confi­née dans l’enceinte de l’imprimante, y com­pris lors du pro­ces­sus de déga­ge­ment de celle qui n’est pas uti­li­sée à la fin de l’impression. L’histoire ne dit pas si cette poudre ultra fine pré­sente des risques pour la santé des opé­ra­teurs, même pro­té­gés, de cette machine.

Ce que cela coute

Les impri­mantes 3D cou­leur de Z corp sont au des­sus des gammes de prix des impri­mantes 3D mono­chrome évoquées dans le rap­port CES. Elles se situent entre 18K€ et 52K€ selon les modèles qui se dis­tinguent par la taille des objets que l’on peut créer. Le consom­mable est rela­ti­ve­ment abor­dable, un pro­to­type pou­vant reve­nir à quelques cen­taines d’Euros maxi­mum à rai­son de 20 cen­times d’Euros par cen­ti­mètre cube.

Z Corp n’a pas la pré­ten­tion à créer une solu­tion pour le grand public comme Desk­top Fac­tory. Mais dans ses usages pro­fes­sion­nels, la solu­tion semble très com­pé­ti­tive pour les indus­triels concernés.

Scan­ner 3D

Z Corp conçoit et fabrique égale­ment un curieux scan­ner 3D à main à base de lasers qui per­met de scan­ner toute sorte d’objet 3D et de l’injecter dans les logi­ciels. Il com­plète l’offre d’imprimantes 3D cou­leur. Le scan­ner uti­lise des pas­tilles réflé­chis­santes qui sont pla­cées sur l’objet à scan­ner pour ser­vir de repères. Il fonc­tionne de concert avec un PC sous Win­dows auquel il est connecté via une liai­son Fire­wire. L’un des scan­ners fonc­tionne avec une réso­lu­tion de 50 microns (0,05 mm). Ce scan­ner per­met de cap­ter des objets exis­tants pour les modé­li­ser, les modi­fier ensuite, et évidem­ment, les rema­té­ria­li­ser alors avec l’imprimante 3D cou­leur de la même marque.

Tout cela fait un peu “Star-Trek” car on n’est pas loin de la télé­trans­por­ta­tion d’objets !

D’autres solu­tions d’impression 3D

Il semble qu’il n’existe pas d’équivalent sur le mar­ché en impres­sion 3D cou­leur - à base de jet d’encre ou pas. Mais il existe des solu­tions pro­fes­sion­nelles lourdes ori­gi­nales que voici pour l’impression 3D monochrome.

Chez l’américain Stra­ta­sys, on trouve les For­tus, des impri­mantes 3D qui se dis­tinguent des trois pre­mières pré­sen­tées au début de cet article : elles uti­lisent un dépot de plas­tique en fusion (ther­mo­plas­tique) et peuvent créer des pro­to­types de pièces méca­niques en plas­tique d’une soli­dité et d’une pré­ci­sion (0,025mm) qui semblent meilleures que toutes les autres impri­mantes 3D ici pré­sen­tées. Les plas­tiques peuvent être en cou­leur, mais une seule cou­leur à la fois par modèle. L’imprimante peut aussi ser­vir à créer des pièces de pro­duc­tion en petits volumes, évitant la fabri­ca­tion cou­teuse de moules. On appelle cela le “DDM” pour Direct Digi­tal Manu­fac­tu­ring. Leur volume peut aller jusqu’à 91x61x91cm). Il faut dire que le plus gros modèle d’imprimante fait 2,7 mètres de long et que plu­sieurs dizaines petites pièces méca­niques peuvent être impri­mées simultanément.

Il existe aussi des tech­niques de sté­réo­li­tho­gra­phie (SLA) comme chez 3D Sys­tems qui uti­lise un laser, dans l’ultra-violet, pour poly­mé­ri­ser un plas­tique liquide, couche par couche. Là encore, cela per­met de pro­duire des pièces de série en quan­tité moyenne. Sachant qu’il est aussi pos­sible comme pour les machines de Z Corp de pro­duire plu­sieurs pièces d’un coup.

Enfin, citons les impri­mantes d’objets métal­liques qui uti­lisent un laser pour faire fusion­ner une poudre de métal couche par couche dans un pro­cédé que l’on peut com­pa­rer à celui de Z Corp : la poudre de métal est fusion­née par la cha­leur du rayon laser alors qu’avec Z Corp, une poudre inerte est impri­mée avec de l’encre qui colle la poudre. La tech­no­lo­gie s’appelle le Direct Metal Laser-Sintering (DMLS) et on la trouve notam­ment chez e-Manufacturing Solu­tions (l’EOSINT M 270 ci-dessus), un construc­teur allemand.

Le métal uti­lisé peut être de l’acier, du titane ou des alliages divers selon les appli­ca­tions. Comme pour les For­tus, ces machines peuvent ser­vir à pro­duire des pièces indus­trielles ou sur mesure en quan­tité limi­tée (exemple de car­ter de boite de vitesse ci-dessus). Elle concur­rencent les pro­cé­dés clas­siques d’usinage à com­mande numé­rique par enlè­ve­ment de matière qui ne per­mettent pas de fabri­quer toutes les pièces d’un seul tenant. La tech­no­lo­gie à base de fusion par laser pré­sente en fait quatre appli­ca­tions pro­po­sées par ce construc­teur : la créa­tion de pièces métal­liques, la créa­tion de pièces en plas­tique, et la créa­tion de moules en sable pour la fon­de­rie et enfin, de moules en métal pour la pro­duc­tion de pièces de plas­tique en série. On peut les uti­li­ser pour créer des pro­thèses métal­liques sur mesure (exemple de pro­thèse du genoux ci-dessous).

Il s’est vendu 700 machines de ce type dans le monde à ce jour selon son construc­teur. On est évide­ment très très loin du grand public et même des appli­ca­tions indus­trielles à grande échelle.

Dans le paquet, je n’ai pas iden­ti­fié de construc­teur fran­çais. La machine outil n’a jamais été notre fort en France…

Appli­ca­tions grand public ?

Pourra-t-on un jour com­man­der nos objets du quo­ti­dien sur Inter­net, les per­son­na­li­ser puis les fabri­quer chez soi, voire dans un com­merce de proxi­mité ? Cela pour­rait sûre­ment réduire les coûts de trans­port et de sto­ckage. Si cela n’est pas évident pour des objets pro­duits par assem­blage de pièces de carac­té­ris­tiques dif­fé­rentes et de maté­riaux dif­fé­rents (plas­tique, métal, élec­tro­nique), cette appli­ca­tion pour­rait voir le jour avec des objets plus simples comme les figu­rines dans les jeux, mais aussi pour la créa­tion de coques ou acces­soires visibles per­son­na­li­sés pour des objets grand public (mobiles, lap­tops, etc). La tech­no­lo­gie de Z Corp pour­rait faire l’affaire en divi­sant son prix par plus de dix. On en est loin, mais c’est à sur­veiller de près !

Publié le 4 avril 2009 Post de Olivier Ezratty | Innovation, Technologie | 11 commentaires