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RÉSUMÉ
Eviter la mise en place de couches en fabrication additive (stéréolithographie) ou oublier l’introduction de supports de réalisation d’un objet 3D complexe non déformé, c’est ce que fait l’impression 3D « volumique » par apport précis dans le volume de l’énergie « utile » à la transformation souhaitée. Il s’agit d’exploiter des processus non-linéaires, simultanés ou séquentiels, qui, pour la plupart, font intervenir la lumière. Les avantages précités doivent donc être mis en regard avec le besoin de transparence des milieux réactifs classiques en 3D, empêchant par exemple la réalisation d’objets en métal. Cet article présente l’état de l’art, les tendances actuelles avec des limites, et tout le potentiel de cette technologie en devenir (en particulier en termes de résolution spatiale).
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Jean-Claude ANDRÉ : Directeur de recherche au CNRS
INTRODUCTION
L’impression 3D s’est développée en 1984 sur un principe d’additivité en jouant sur un couplage matière-énergie simple, avec pour première technologie la stéréolithographie, représentant un procédé de photopolymérisation à un photon. Grâce à ce principe, d’autres procédés ont pu émerger, utilisant des matériaux solides, pâteux, pulvérulents, organiques et/ou minéraux. Or, en 1984, les connaissances scientifiques existaient déjà sur des procédés « à seuil » plus complexes qui auraient pu être exploités. Si, dans ce cas, on pouvait éviter de passer par l’étape d’addition de couches, le choix des matériaux utilisables reste plus critique (et la réalisation de pièces métalliques aurait pu être plus tardive ou rester dans les limbes…).
Avec des critères de transparence, il est possible de réaliser des objets 3D sans passer par l’étape de couches superposées parce qu’on exploite des procédés optiques non linéaires ou chimiques à seuils. C’est sur ces fondements que l’impression 3D « volumique » est née (appelée parfois « volumétrique », sans doute parce qu’en anglais on parle de 3D Volumetric), jetant aux oubliettes le terme de « fabrication additive » classiquement utilisé pour faire la différence avec les fabrications soustractives par enlèvement de matière. La 3D volumique dispose d’un spectre d’application plus limité que les autres technologies 3D, mais permet de réaliser des objets avec des temps machine et de conception plus courts et, dans certains cas, avec une meilleure résolution spatiale. Elle devrait donc s’intégrer dans la panoplie des dispositifs 3D présents sur le marché.
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1. Vers le principe de l’impression 3D volumique
En 1984, dans le premier brevet concernant la stéréolithographie , il avait été possible de faire très simple en définissant des couches de résines photo-polymérisables, contenant un amorceur photochimique dont l’épaisseur optique était légèrement supérieure à celle de la couche et, de proche en proche, de réaliser une polymérisation en surface, pour une hauteur donnée de l’objet. Il n’y avait qu’à reconduire le même processus pour atteindre l’objet final, sans se rendre compte alors qu’avec les résines acryliques utilisées, l’oxygène présent était un inhibiteur utile et consommable dans la polymérisation. Dans ces conditions, la surface en contact avec l’air ambiant restait fluide sur quelques µm et ce n’est qu’après réalisation de la couche supérieure que l’oxygène était emprisonné, non renouvelé et consommé. Cet inconvénient chimique devenait ainsi un avantage dans le procédé en permettant la liaison des couches les unes aux autres. Depuis, d’autres technologies de fabrication additive ont été développées. [Le lecteur intéressé pourra utilement se reporter aux publications de Techniques de l’Ingénieur sur le sujet.]
Très vite, en stéréolithographie, la question des couches est devenue bloquante puisque plus de 50 % du temps machine pouvait à l’époque être perdu pour stabiliser ces couches qui réglaient la résolution (au moins sur un axe). Il était possible de réduire ce temps en choisissant des résines très fluides, mais celles-ci avaient en général un fort retrait volumique (jusqu’à 17 % !). L’introduction de racleurs a permis, au moins en partie, de régler cette difficulté, mais il est quand même très difficile de disposer de couches très fines, d’épaisseurs inférieures à 0,1 mm. En fait, la nature même du procédé induit dans les objets créés des anisotropies et des...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ANDRÉ (J.C.), LE MÉHAUTÉ (A.), DE WITTE (O.) - Dispositif pour réaliser un modèle de pièce industrielle. - Brevet français, n° 84 11 241 (1984).
-
(2) - CORBEL (S.), ANDRÉ (J.C.) - Photo-stéréo-lithographie laser. - Polytechnica Ed. (1991).
-
(3) - GÖPPERT-MAYER (M.) - Historic Article – Elementary processes with two quantum transitions. - Annalen für Physik, (Berlin), 18, p. 466-479 (2009).
-
(4) - ADAMSON (A.W.) - Method and apparatus for generating 3 dimensional patterns. - US Patent 3609706 A (1968).
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(5) - ADELMAN (A.H.), LEWIS (J.D.) - Method and apparatus for generating 3 dimensional patterns. - US Patent 3609707 A (1968).
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(6) - McGINNISS (V.D.), SCHWERZEL (R.E.) - Photo-polymerizable...
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