Notes de cours – 21 novembre 2017 – 2 exposés

Prototypage 3D

Présenté par Jacques Richard, enseignant Hepia et Luc Dayer
Atelier d3dprint (entreprise impression 3D)

Objectifs :

énumérer les différents types d’imprimantes 3D,
choisir un type d’impression en fonction du résultat à obtenir,
citer les formats les plus courants utilisés par les logiciels de pilotage d’imprimante 3D,
préparer une maquette numérique dans un logiciel de modélisation pour l’impression 3D,
préparer des données pour une découpeuse ou une fraiseuse numérique.

Exemples et historique

Exemple de construction réalisée à l’aide du maquettage itératif – fondation Louis Vuitton

« Naissance » de la fabrication additive

1970 – 1980: les systèmes de modélisation 3D et CAO deviennent largement utilisés dans l’industrie, par exemple dans l’aviation,
1987 – premier appareil de stéréolithographie et frittage laser sélectif.

Motivations et défis de l’industrie

l’augmentation du nombre de variantes
l’augmentation de la complexité
la diminution du temps de vie avant renouvellement
la diminution des délais de livraison
Réduction matière premiere

Principe et étapes de la fabrication additive

Données de base en 3D CAD
Manipulation & design (ajout de pilier provisoire par ex.)
Mise en machine, l’impression
Post processing, polissage, nettoyage, ect …

Divers techniques d’impression

SLA: Stéréolitogaphy
LOM: Laminate Object Manufacturing
FDM: Fused Deposition Modeling
3DP: 3D Printing
SLS: Selective Laser SLM: Selective Laser Melting

Voir vidéo 3D systems

SLA: Stéréolitogaphy

Matériaux de base : Résines photosensibles époxy (résine toxique)

Bain de résine liquide qui durcit grâce au laser

Difficile de faire des surplombs

Avantage : Grande liberté de forme , grande finesse (bijouterie)

Inconvénients : Pièce doit être maintenue au cours de la fabrication, Faible tenue mécanique, Problème des volumes piégés

Domaine d’application : Prototypage

Procédé en perte de vitesse, machine 150-200’000 CHF
pas un système grand public

DLP

Idem SLA mais sans laser, un flash

LOM: Laminate Object Manufacturing

Fabrication par découpage feuilles par feuilles par addition collage ou pression (papier, carton, …)

Longue construction, mais avantage pour la suite des procédés de construction industriels.

Bon marché: La matière première est aisément disponible, grandes pièces: car le procédé n’implique aucune réaction chimique. La précision dans la hauteur est inférieure à celle réalisée en SLA. Les modèles doivent être vernis pour éviter l’humidité. Les modèles ont une texture de bois.

Inconvénients : gestion des tous, évidage impossible = découpage de la pièce nécessaire

FDM: Fused Deposition Modeling

Echauffement des filaments de polymère, – Dépôt des matériaux fondus couche par couche : 1 matériau pour la pièce et un matériau support – Dissolution des supports dans un bain aqueux

Très rependu, imprimante lowcost !

Procédé très lent et mécanique Une étape de fraisage peut être nécessaire pour assurer la planéité de la couche

Matière bon marché

Même faire du chocolat !

3DP: 3D Printing

Principe: utilisations d’une tête d’imprimante :

Apport de liant – ou Apport de résines photosensibles et apport d’une résine sur un lit de poudre contenant un activateur – Ajout de matière successive

Avantage : – Intégrable dans un bureau d’étude, usage de couleurs

Inconvénients : – Pièces généralement fragiles

Plutôt pour le design

SLS: Selective Laser

Frittage laser

Chauffage de la poudre en dessous de la température de fusion
Dépôt d’une couche de poudre polymère,
Balayage avec un laser CO2 (infra-rouge),
Frittage du polymère, (metal)
Descente du bac de poudre d’une épaisseur de couche,
Frittage de la couche suivante…

Pour du prototypage, méthode la plus utilisée architecture, décoration, médical ou aérospatial

SLM: Selective Laser Melting

Fusion laser métallique principe:

Mise en place d’une plaque support,
Dépôt d’une couche de poudre métal,
Balayage avec un laser type Nd-Yag (infra-rouge),
Fusion du métal,
Descente de la plaque support d’une épaisseur de couche,
Fusion de la couche suivante…
Post-traitement au four possible pour détente ou durcissement
Reprises conventionnelles d’une pièce métallique.

3D Cocooner

Tripode avec buse, resine UV-durcissement, fibres en verre

Impression 3D de béton

Dépôt de béton avec une buse géante !

Contraintes et règles de conception

Liste des questions à se poser avant une acquisition :

Taille maquette
Précision
Matériaux (énergie pour les traiter)
Post-traitement(s)
Prix
Structure de données d’entrée

Bonne modélisation 3D – CAO modèles mathématiques, des éléments géométriques

Point – nuage de points > (x,y,z)
Segment – polyligne, séquence de scanning
Facette – polygone
Surface (polynôme, spline, NURBS)

Type de modèle 3D

«Surfacique» • «peau» des objets, superposition et enchevêtrement possible
«Volumique» • Corps solide, topologie = relations d’Euler

Exemples de collaborations de l’Hepia

Création d’une maquette du quartier des Pâquis pour test en soufflerie
dans le but de vérifier les simulations de vents dans des logiciels numériques avec une maquette réaliste.
Exemple d’acquisition 3D du relief Magnin

Conclusion

Impression 3D & “l’additive manufacturing” est un devenu un outil indispensable en complément des simulations numériques et des techniques de scanning 3D,
Permet les détails que ne permet pas par exemple le fraisage,
le 3D printing devient « lowcost » se qui démocratise de l’additive manufacturing.
La structure des données reste essentielle

Pour la mensuration officielle

Mise en lumière des problèmes inhérents aux données 3D du SITG pour leur impression. En effet, ces dernières ne sont pas directement en volumes mais séparées en toit, facade, et sol différente. Un gros travail doit être effectué pour imprimer une maquette comme introduire les épaisseurs sur les toits ou fermer les surfaces des volumes du bâtiments. Peut-être faudrait-il étudier la création d’une couche 3D volumiques « prête à l’impression ».