Historique de l impression 3D Serge Corbel serge.corbel@univ-lorraine.fr Laboratoire Réactions et Génie des Procédés UMR CNRS 7274, 1 rue Grandville 54000 Nancy
Plan Introduction I - Historique de la fabrication additive II - Procédés III - Matériaux IV Applications Santé Génie des Procédés et des réactions V Besoins et perspectives Conclusion
Introduction Fabrication additive (F.A.) est un enjeu pour l Industrie et le monde Universitaire avec un fort développement Définition de la fabrication additive «Ensemble des procédés permettant de fabriquer, couche par couche, par ajout de matière, un objet physique à partir d un objet numérique» Intérêts multiples Fabrication de formes complexes Réduction du temps entre la conception et la fabrication Développement National : nouveau développement avec les ateliers «FabLabs» International : technologie clé aux Etats-Unis Applications multiples dans tous les secteurs d activité Limitations Vitesse?, Matériaux?, Cout, applications
Un marché en nette croissance depuis 20 ans En 2012, le chiffre d affaire a augmenté de plus de 23% (Rapport Wohlers de 2013) Estimation du nombre de ventes d imprimantes 3D professionnelles dans le monde En 2014, l industrie de la fabrication additive (machines, matériaux, services, les conférences, les formations, etc.) présente un taux de croissance de l ordre de 35%
I - HISTORIQUE DE LA FABRICATION ADDITIVE
Quelques faits marquants de la fabrication additive Année Entreprise et Technique 1977 Swainson dépose un brevet aux Etats-Unis pour un système de durcissement de résine 1982 Recherches sur la stéréolithographie menées parallèlement en France et aux Etats-Unis 1984 Dépôts de brevets sur la stéréolithographie par J.C. André et C. Hull 1986 Création de 3D Systems à Valencia en Californie (SLA) 1989 Création de Stratasys et commercialisation des imprimantes FDM Création de la société EOS en Allemagne pour les procédés de frittage laser. 1995 Création de Z Corporation et imprimantes 3 DP (MIT) 1990 Dépôt de brevets pour la photofabrication par masques (Pomerantz ) 1995-1997 Recherche sur les procédés avec masque : cristaux liquides (LCD) micro-miroirs (DLP/DMD) ; Création d Arcam (EBM) 1998-2001 Travaux de recherche des procédés multiphotoniques avec une résolution submicronique 2002 Création Envision TEC Digital Light Processing (DLP) (Allemagne) 2005 2005 : Lancement du projet RepRap au Royaume-Unis à l Université de Bath 2007 2007 : Création de Shapeways (Pays-Bas) sous licence GNU/GPL, Poly-Shape (France) 2009 2009 : Expiration du brevet de FDM MakerBot Industries et Sculpteo (France) 2012 2012 : 45 000 nouvelles machines imprimantes 3D sont vendues Fusion de Stratasys et Objet ; Acquisition de Z Corp et Vidar par 3D Systems 2013 Stratasys absorbe MakerBot Industries. Création de 14 «Fablabs» en France
II - Procédés Stéréolithographie Frittage et Fusion Dépôt de matière Imprimantes 3D Microstéréolithographie
Marché mondial de F.A. Développement principal en terme de machines aux USA Mais forte augmentation : Europe > 1/4 marché en augmentation Asie 26% Constructeurs de machines F.A. Source : rapport Wohlers 2013 2003 2013 USA 10 5 Europe 7 16 Japon 7 2 Chine 3 5 Progression forte en Europe et en Chine
Procédés de fabrication additive Méthodes de mise en forme d une couche Photopolymérisation Sociétés : 3D systems, Materialise, etc. Technologies : SLA ; DLP ; PolyJet etc. Fusion d un lit de poudre à l aide d un laser ou d un faisceau d électrons Sociétés : EOS, Poly-Shape, Materialise, etc. Extrusion (buse) et Projection de matériaux (tête d injection) Sociétés : 3D Systems, Stratasys, etc. Découpe et assemblage de feuilles Société CIRTES - Technologie LOM 9
Fabrication additive (Quelques procédés) Procédé Nom de la technologie Société Grand Public Photopolymérisation SLA (Stereolithography Apparatus)) DLP (Digital light Processing) 3D Systems (USA), Envision TEC (Allemagne) (Prodways, France) Creator Frittage laser (SLS) et Fusion d un lit de poudre SLS (Selective laser Sintering) EBM (Electric Beam Melting) EOS, 3D Systems, Poly- Shape Arcam - Dépôt de filament fondu FDM (Fused deposition Modeling) 3D Systems, Stratasys RepRap (FFF), MakerBot, Cube, Jets de photopolymère PolyJet 3D Systems, Objet - Dépôt de liant Photopolymérisation multiphotonique 2PP Découpe des strates 3DP (Three-Dimensional Printing) SDL (Selective deposition Laminated), Stratoconception - Z Corporation (3D Systems), Voxeljet Université - CIRTES
Prix des Imprimantes 3D Grand choix et forte baisse au niveau du Grand Public Plus de 140 modèles de 100 à 5000 Imprimantes 3D personnelles ; < 5000 MakerBox 177 ; Replicator 3370 etc. RepRap 4800 ; Cube Imprimantes professionnelles ; prix moyen 50 000 : 3D Systems (Z corporation et Stratasys-Objet qui a absorbé MakerBot) EOS Envision TEC, Arcam etc.
Principe de la stéréolithographie Laser UV Focalisation dynamique Lentille Acousto-optic Opturateur Miroir X Miroir Y Racleur Translation Verticale CAD Interface de balayage X-Y Interface motors translation Cuve de photopolymère
Etapes de la fabrication additive Modèle CAO 3D ou scan 3D Trancheur au format STL de la machine d impression Fabrication 1 2 Modèle 3D Coupes au format de la Machine (e~100 microns); ajout de supports
Traitement informatique du modèle Conception : Motif de base (CAO) Objet 3D après extrusion Maillage de la surface et exportation Triangulation des surfaces pour un fichier STL Format d un fichier STL ASCII a) Incorrect b) Triangulation correcte Solid name Facet normal ni nj nk outer loop vertex v1x v1y v1z vertex v2x v2y v2z vertex v3x v3y v3z endloop Endfacet endsolid name
Méthode d irradiation Balayage du faisceau en Stéréolithographie Photopolymérisation par traçage vectoriel Projection d images Technologie DLP/DMD DLP (Digital Light Processing) Puce de traitement DMD (Digital Mirror Devices) Matrice de 1280 x 1024 micromiroirs 15 μm de côté Micro stéréolithographie 15
Machine de stéréolithographie au laboratoire Miroirs galvanométriques X,Y Vue d ensemble de la machine de laboratoire : Laser Miroirs - Cuve Laser solide Nd:YaG laser (355 nm)
Procédés par masque Modulateur optique en transmission (LCD) Technologie DMD/DLP en projection 7 mm 5 mm (100 couches)
Comparaison des afficheurs LCD et DMD LCD Compatibilité UV Non Oui DMD Efficacité de la Modulation 12.5% (transmission) 88% (réflexion) Intervalle 26 μm 24 μm 14 17 μm Taille Pixel 33 μm 33 μm 12 16.2 μm Contraste 100:1 350:1 Vitesse de commutation 20 ms 20 μs 18
Micro SL Innovations majeures en photonique Source d irradiation Sources fibrées (lampe et lasers) Lasers femto seconde et pico seconde Micro SL Bi-Photonique (ADP) Masques optiques dynamiques Matrice DMD/DLP de Texas instrument MicroSL :10x7 µm S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka et K. Takada : Finer features for functional microdevices. Nature, 412:697 698, 2001
Spécificité de l excitation à deux photons Balayage laser à deux photons, l excitation est strictement restreinte au volume focal Fluorescence induite par une excitation 20 janvier 2011 monophotonique Fluorescence induite par une Serge CORBEL excitation biphotonique 20
Avantages de l excitation à deux photons Pénétration en profondeur dans l échantillon au-delà de la surface Réduction des risques de photo blanchiment des fluorochromes situés en dehors du point focal Zone réactive des échantillons réduite au micro volume de focalisation Peu de bruit de fond : absence de pinhole en microscopie à 2 photons Serge CORBEL
Innovation : la technologie CLIP La lumière est projetée sur une plaque perméable à l oxygène Couche reste liquide au contact de l objet L objet est tiré vers le haut en continue Une vitesse plus rapide (25 à 100 x plus rapide) Réf. : wwsciencemag.org, 20 mars 2015, vol 347,6228,1349-1352 https://www.youtube.com/watch?v=ihr9sx7dgro
III - MATÉRIAUX
Principaux matériaux Procédé Nom de la technologie Société Matériaux Photopolymérisation SLA (Stereolithography Apparatus)) DLP (Digital light Processing) 3D Systems, Envision TEC, Materialise Polymère Epoxy ; Epoxy chargé Frittage laser et Fusion d un lit de poudre SLS (Selective laser Sintering) EBM (Electric Beam Melting) EOS, 3D Systems, Poly-Shape 3D Arcam Polyamides (PA) ; Aciers Alliages d aluminium, de cobalt, cobalt-chrome, Molybdène; alliages de Titane ; Céramiques Dépôt de filament fondu FDM (Fused deposition Modeling) 3D Systems, Stratasys ABS ; PLA ; PVA ; PET Jets de photopolymère PolyJet 3D Systems, Objet PolyEthylène Téréphtalate (PET) Dépôt de liant Photopolymérisation multiphotonique 2PP Découpe des strates 3DP (Three-Dimensional Printing) SDL (Selective deposition Laminated), Stratoconcept - Polymères Université - CIRTES Bois, papier
Matériaux utilisés en impression 3D Plastiques, métaux, céramiques et matières organiques. La technologie FDM est particulièrement adaptée au travail de deux plastiques : l ABS et le PLA ABS (acrylonitryle butadiène styrène) Température de fusion 200-250 C Résiste aux chocs (structure élastomère du polybutadiène) Belle état de surface et de brillant PLA (acide polylactique) Température de fusion 160-220 C Manipulation plus difficile que l ABS car il refroidit et durcit très rapidement Excellentes propriétés environnementales, biodégradable Différentes couleurs possibles
Pièces composites poudre céramique / polymère Pièces réalisées par micro stéréolithographie en composite polymèrealumine environ 3 mm Pièce avec partie mobile réalisée en une seule étape
Gamme de matériaux : Propriétés physiques Conducteurs QC et AMC Isolants Gamme élargie de matériaux Conducteur, isolant et semi-conducteurs Production d'objets complexes QC et AMC (Al Cu Fe) Nanoparticules QD Propriétés et applications Revêtement de surface Barrière thermique Résistance à l usure et au frottement Conversion d énergie (Cellules photovoltaiques, réacteurs photocatalytiques ) Conductivités électriques pour différents matériaux en fabrication additive
Pièces composites AMC par SL ( Thèse A. SAKLY) Formulation d une résine chargée 20%Vol. de poudre d alliage métallique complexe (AMC) dans Résine Si40 Absorbance dans tout le spectre visible+uv Pièces composites Bonnes propriétés mécaniques Résistance accrue à l usure 20 janvier 2011
IV Applications Quelles sont les possibilités offertes par la fabrication numérique? Domaine de la Santé Réalisation d une prothèse mécanique Recherche en génie des procédés Réacteurs et Systèmes fluidiques
Secteurs d Applications Types de production en F.A. Source : AFPR, octobre 2014 9% 6% 6% 2% 29% Secteurs d application Produits de consommation (21 %) Industrie 19% Automobile (16%) 9% 11% 19% 9% Pièces fonctionnelles Ajustement et assemblage Modèles pour outillage prototype Modèles pour fonderie métal Aides visuelles Ventes par secteur sur 2014 12% 14% 2% 1% 8% 21% 19% Produits de consommation Industrie Automobile Aérospatiale Modèles de présentation Education-Recherche Composants d'outillages 16% Médical Militaire
L impression 3D dans le domaine de la Santé Réalisation d une prothèse de main Yann Corbel Centre d Appareillage Louis Pierquin, Nancy Juillet 2015
Problématique Quelle main 3D choisir? Où l imprimer? Comment la réaliser? Quels sont les résultats sur un patient test? Quelles sont les possibilités offertes par la fabrication numérique?
Fabrication numérique «FabLab» Prototype réalisé dans un FabLab Université de Lorraine et du Grand Nancy Prothèse définitive réalisée au laboratoire ISIR (UMR 7222) Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique Groupe AGATHE, UPMC, Paris VI
Pro main «RAPTOR» ENABLINGTHEFUTURE.ORG Communauté de volontaires pour développer des prothèses de membres supérieurs pour adultes et enfants en impressions 3D Disponible librement en ligne Plus de 4000 membres dans 30 pays Ivan Owen de l université de la WA Bothell s Alliance For Device Innovation (A4DI) Frankie Flood de l Université du Wisconsin Milwaukee Ces prothèses de main et d avant-bras sont surtout destinées aux enfants qui n optent pas pour une prothèse médicale traditionnelle
Quelques chiffres et données techniques Le mouvement : Flexion du poignet entraîne une flexion des doigts Une extension de poignet entraîne un retour en extension des doigts Population : Main partielle avec un carpe supérieur a 5 cm de diamètre Impression 3D: 23 pièces 14h d impression coût de fabrication estimé a 50 euros
Impression d un prototype sur imprimante 3D FDM Vue d ensemble imprimante 3D FDM Impression en cours taux de remplissage Difficulté d impression de la structure en pont
Un prototype viable en ABS pour des essais sur un patient Plateau d impression Pièces imprimées avec matériel de support Principe de fonctionnement oa été validé Qualité de l assemblage suffisant pour des essais avec patient
Maquettes à partir de l imagerie médicale pour des reconstruction osseuses Lecture des fichiers scanners Traitement des images Segmentation par seuillage Visu 3D CT Modeler Génération du Modèle pour PR CLI SLA SLI SLC F&S STL Fichiers scanners Maquette 3D
Pièces pour le Génie des Procédés Etude des transferts de chaleur et de matière Transfert de chaleur favorisé par une augmentation de l effet de surface (surface spécifique de l échangeur) Perte de pression optimisée car répartie entre les différentes échelles Couplage des phénomènes à différentes échelles Maîtrise locale des conditions opératoires Réduction du temps de mélange et optimisation du temps de passage Contrôle des phénomènes couplés Sélectivité des réactions Apport important des logiciels de simulation (Fluent, Comsol) Permet d optimiser la géométrie de la pièce à tester.
Distributeur et mélangeur fractal et constructal Objectifs de la recherche Bonne distribution des fluides Distribution optimale de la taille des canaux Limitation des pertes de charges Micro réacteur avec canaux de pré mélange
Réacteur photocatalytique (Projet ANR «PRUMOS») Montage avec un réacteur en polymère (Accura Si40) Réacteur inox avec fenêtre d irradiation dans l UV et visible Diamètre des canaux submillimétrique
V - BESOINS ET PERSPECTIVES
Critères importants Vitesse de fabrication rapide Temps d exposition : Puce DLP/ masque DMD Durée de photopolymérisation (technologie CLIP) Polymérisation directe au sein du liquide et non plus par le dessus du plateau support Matériaux Matériaux innovants pour de nouvelles applications Recyclage Réduction du coût (surtout des résines) Améliorer les performances du procédé Matériaux et machine Logiciels de conception et de pilotage des machines Possibilité de simulation de la fabrication de pièces avec optimisation des paramètres Qualité et reproductibilité Longévité des pièces Recyclabilité
Conclusion La Fabrication Additive est en en constante progression Améliorations des technologies et des matériaux L impression 3D permet à des particuliers ou des petites structures de réaliser des modèles de qualité pour un prix modéré Outils indispensables pour la recherche scientifique et l industrie Beaucoup d écoles, d universités ont installé des imprimantes 3D Au niveau Industriel possibilité de relocalisation d activités Nouvelles applications Tous les secteurs Nombre croissant de matériaux : Métal, Alliages, Semi-conducteurs Domaine de la santé : Prothèses Domaine de la recherche : Réactions et Procédés Savoir-faire Les grands établissements publics peuvent jouer un rôle important dans : la diffusion des connaissances les échanges entre le monde universitaire et industriel Maintien des compétences dans tous les aspects du procédé : Traitement informatique matériaux machines Applications Adaptation fine aux exigences des chercheurs, Industriels et consommateurs