Présentation de l’impression 3D

Si vous avez déjà entendu parler d’impression 3D, sans pour autant avoir pris le temps de plus vous y intéresser, alors cet article est fait pour vous ! Il s’agit d’un article d’introduction et de vulgarisation de ce domaine. J’essayerai de répondre aux questions basiques que l’on peut naturellement se poser tout en éclaircissant les aprioris que l’on peut avoir lorsqu’on est profane à ce domaine. En toute transparence, j’aborderai également les points négatifs de celui-ci. Donc à l’issue de cet article vous comprendrez mieux de quoi il s’agit et j’espère qu’il pourra éventuellement avoir suscité des appétences pour ce sujet.

Pour les connaisseurs, ceux qui ont déjà le pied dedans, vous pourrez utiliser cet article comme une référence d’introduction à diffuser autour de vous.

Important : Cet article n’abordera que l’impression 3D dite « grand public » : la version abordable techniquement (FDM) et financièrement à vacation de loisir.

Qu’est-ce que l’impression 3D

C’est un procédé de fabrication d’objet physique, réel obtenue grâce à une machine-outil numérique que l’on appelle imprimante 3D. Une imprimante papier classique dépose de l’encre pour former des textes ou des images sur une feuille de papier qui nous paraissent plats : en 2D.
Par analogie, une imprimante 3D elle, dépose sur un plateau une fine couche de « plastique fondu » puis recommence l’opération avec une autre couche supérieure accolée à la précédente. Ainsi de suite, jusqu’au final, obtenir un objet 3D, qui nous apparait comme tridimensionnel, que l’on peut toucher et manipuler. C’est cette notion de fabrication couche par couche qui fait que l’impression 3D est si particulière et permet la fabrication d’une multitude d’objets différents avec une seul et même machine.

Un bref aperçue des composants techniques d’une imprimante 3D :

1. Le fil de matière première
2. La tête d’impression qui chauffe puis dépose la matière fondue grâce à sa buse située dessous
3. Le plateau reçoit la matière première et supporte l’objet en cours de construction
4. Déplacement de la tête d’impression selon l’axe Z : de haut en bas
5. Déplacement de la tête d’impression selon l’axe X : de droite à gauche
6. Déplacement du plateau selon l’axe Y : d’avant en arrière

Si l’on prend un pot de fleurs en plastique que l’on peut acheter dans le commerce, il a probablement été fabriqué par l’injection de matière plastique dans un moule. Si l’on veut changer la forme de ce pot alors il faudra alors refabriquer un moule permettant d’obtenir la nouvelle forme voulue.
En impression 3D, le pot sera construit par l’imprimante 3D par dépôt de matière, couche à couche, selon des instructions fournies par un ordinateur. Si l’on veut finalement changer la forme de notre pot, on utilisera la même imprimante 3D, mais il suffira de changer quelques instructions pour adapter la forme du pot.

On attend de plus en plus parler de l’impression 3D, car c’est un domaine technologique en fort développement. À l’origine utilisé en industrie pour réaliser des prototypes d’objet, son rayon d’action s’est largement étendu à d’autres domaines. Ces domaines se sont tellement développés, qu’aujourd’hui des imprimantes 3D sont devenues abordables techniquement et financièrement pour les particuliers.

Un loisir

il faut garder en tête une chose important à propos de l’impression 3D chez le grand public : c’est un loisir !
Tout comme un potier va avec plaisir transformer une vulgaire boule d’argile en joli pot de fleurs, un maker, appellation des utilisateurs amateurs d’impressions 3D, va transformer une vulgaire bobine de fil plastique en objet 3D.
Les possibilités de création sont vastes et je vous en montrerais des aperçus au cours de l’article, mais voilà déjà une première liste loin d’être exhaustive :

• Figurine
• Objet de décoration
• Jouet
• Réparation d’objets
• Rangements astucieux
• Boites adaptées
• Objet aux mécanismes ingénieux
• Petits outils
• Prototypes d’idées
• Boitier pour RaspeberryPi
• DiY
• …

Comment concevoir un objet 3D

Pour imprimer un objet, l’imprimante a besoin d’instructions. Ces instructions indiquent par exemple où et quelle quantité de matière déposer pour former l’objet couche après couche.

Ces instructions sont obtenues grâce à un logiciel spécialisé appelé slicer (le trancheur).
Le slicer analyse un fichier 3D qui contient la représentation numérique d’un objet. Il va le découper en plusieurs couches successives dont il déduira de chacune d’elle les instructions nécessaires pour la construire.

Ce fichier 3D, dont le format le plus connu est le STL (STereo-Lithography), contient une représentation de l’objet en 3 dimensions. Il aura au préalable été « dessiné » à l’aide d’un outil spécialisé.

Dessiner l’objet 3D

Pour concevoir un objet 3D, il existe une multitude d’outils plus ou moins puissants et plus ou moins faciles d’accès. En voici une liste non exhaustive :

• Blender : gratuit et open source, c’est un outil très puissant pour le dessin 3D. Comme il permet également beaucoup de choses autres que le dessin 3D (animation, texturing, …), cela en fait une grosse usine très difficile à appréhender.
  Mais des tutoriels sur internet, orienté impression 3D, permettent de finalement de se l’approprier Techno Ralpf ou Flossmanuals.
• Autodesk Tinkercad : Outils en ligne de dessin relativement avancé et pensé pour l’impression 3D. Les tutos intégrés permettent de l’apprivoiser en quelques minutes. Son défaut et qu’il ne permet de créer qu’à partir de formes simples et ne permet pas de pousser trop loin les niveaux de détails.
• Autodesk Fusion-360 : est la suite avancée et beaucoup plus poussée à Tinkercad. Pensé pour les professionnels, il reste toujours accessible, il n’a presque plus de limites, sauf peut-être son prix bien trop élevé pour une utilisation de loisir.
• Sketchup online : gratuite dans sa version en ligne, il permet de réaliser des objets de façon simple en étirant des formes géométriques.
• 3D Builder : nativement intégré à Windows 10, il permet aussi la création d’objets 3D à partir de forme et manipulations simples.

Il en existe bien d’autres, voir même d’autres techniques comme par l’écriture de code pour décrire la construction de l’objet numériquement.
Dans tous les cas, une phase d’apprentissage est nécessaire avant de pouvoir commencer à concevoir des objets basiques puis progresser vers des objets plus complexes.

Le slicer à la rescousse

Le logiciel de slicing, en plus de générer des instructions nous apporte d’autres fonctions qui simplifient l’étape du dessin 3D en vue d’une impression.

Le remplissage

Si vous imprimez par exemple la figurine d’un gros ours, le dessin 3D sous-entend que l’intérieur de celui-ci est plein de matière.

Le logiciel de slicing peut alors proposer de remplacer toute cette matière par un « quadrillage » interne, plus ou moins serré, qui assurera toujours la solidité de l’objet de façon invisible.

Les supports

Comme l’impression se déroule de haut en bas, si un élément de l’objet à imprimer se retrouve en surplomb par rapport au sol, il serait alors normalement impossible de l’imprimer.
Représenté en rouge sur l’ours ci-après.

Mais encore une fois ici le logiciel de slicing va nous aider en proposant de mettre en place des supports. Une sorte d’échafaudage ajouté à l’objet pour maintenir en position les éléments qui normalement se retrouveraient au-dessus du vide au cours de l’impression.

Cura

À titre d’information, le slicer le plus renommé est Cura. Il bénéficie donc d’une bonne communauté d’entraide. Il est édité par Ultimaker sous une licence GNU public.

Et si je ne sais pas dessiner ?

Savoir dessiner n’est heureusement pas un indispensable pour se lancer dans l’impression 3D ! Car d’autres personnes, souvent plus talentueuses, ont la gentillesse de mettre à dispositions leurs réalisations numériques sur des plateformes de partage dédiées à ce loisir.
Une des plus connues s’appelle Thinkiverse. Vous y trouverez vraiment tout type d’objet voire même plus comme des projets de création complets à faire soi-même (le DiY).
Il faut y jeter un œil pour se rendre compte de l’immensité des possibilités offertes par l’impression 3D.

Il existe bien d’autres banques de création comme celle-ci ou d’autres sont plus spécialisées. Il y a de grandes chances que vous y trouviez votre bonheur sans avoir à dessiner vous-même : le monde de la création 3D semble maintenant infini !

• Cults
• MyMiniFactory
• Pinshape
• ….

Les côtés très obscurs de l’impression 3D

Maintenant que vous êtes bien enjoué par l’immensité des possibilités, je vais vous ramener violemment sur terre en abordant les côtés sombres.

Avec l’impression papier classique, il suffit de brancher électriquement la machine, la relier à son ordinateur et insérer la cartouche d’encre. Après quelques secondes d’initialisations, l’imprimante est opérationnelle pour vous rédiger ses plus belles pages.

Avec l’impression 3D, l’histoire est toute autre. La première étape consistera à assembler d’abord l’imprimante. Une fois montée, il faudra passer un premier long moment à comprendre le minimum pour lancer une première impression dont vous serez fiers, mais qui sera imparfaite.
Par la suite, il faudra passer d’autres longues heures à approfondir ses connaissances sur son fonctionnement et continuer vos impressions en s’améliorant.
Mais surtout comprendre pourquoi soudainement aujourd’hui elle ne semble que chier du plastique alors que la veille tout semblait si parfait. Vous découvrirez alors qu’une vis particulière s’est relâchée, ou que votre plateau n’est plus parfaitement droit, ou qu’aujourd’hui il fait moins chaud et plus humide donc le filament ne se comporte plus pareil.

Oozing, overhang, curling, warping,… la liste des symptômes est longue, il faudra apprendre à trouver les correctifs à mettre en place pour corriger ces divers problèmes qui se présenteront inexorablement.
Pour d’autres de ces symptômes, il se peut que ce soit un défaut d’origine de votre imprimante qu’il faille alors corriger en améliorant celle-ci : changer ou ajouter des pièces. Au final, une imprimante trop bon marché peut après achat nécessiter d’investir en amélioration pour en faciliter son utilisation.

Si vous voulez vous lancer dans l’impression 3D il vous faudra finalement posséder la qualité suivante : LA PATIENCE !

• Patience face aux nombreux problèmes qui se présenteront,
• patience dans la recherche d’explication des anomalies,
• patience dans la mise en œuvre des différentes solutions possibles

Si vous êtes prêt à affronter tout cela, alors les imprimantes 3D ne seront pas forcement indomptable pour vous.

Les autres points négatifs flagrants

Le temps

Le temps d’impression est relativement très long, construire un objet couche par couche prend du temps et c’est normal. De ce côté-là aussi, la patience est de rigueur.
Bien entendu, en jouant sur la taille de l’objet, la vitesse d’impression, la qualité et surtout sur la hauteur de couche on peut diminuer le temps d’impression. Ces changements se feront au détriment de la qualité et de la beauté du résultat final obtenu.

À titre d’exemple, imprimer la figurine d’un bugdroid de 4 cm de haut avec mon imprimante donnerait :

• En qualité bonne avec une hauteur de couche de 0,1 mm : 4 h 52
• Qualité grossière, avec une hauteur de couche de 0,3 mm : 1 h 42

Le bruit

Une imprimante 3D est bruyante, on ne peut pas y échapper : des moteurs actionnés en permanence pour déplacer la tête d’impression, des ventilateurs virulents pour refroidir certains éléments.
Des palliatifs excitent comme :

• Ne pas la placer dans une pièce de vie
• L’enfermer dans un caisson ou meuble pour insonoriser l’ensemble
• Ne pas utiliser l’imprimante lorsque vous êtes chez vous
• Acheter une imprimante plus haut de gamme qui garantira une nuisance sonore moindre.

Choisir une imprimante

L’achat d’une imprimante 3D est relativement abordable pour ce qui voudrait investir dans ce genre de loisir.
Des points négatifs abordés précédemment vont découler des critères de choix.
Bien choisir son imprimante est une question complexe où il n’existe pas de bonne réponse, d’ailleurs je m’en excuse, mais ce paragraphe n’y répondra pas !

Il expose simplement les critères les plus évidents à prendre en compte.
Je le rappelle, mais cet article n’aborde que les imprimantes « grand public » pour une utilisation amateur de loisirs. Ce qui au finale définit une partie du besoin et donc une orientation des critères :

• Le procédé : Choisir la technique FDM (Fused Deposition Modeling) en français dépôt de matière fondue : technique la plus répandue et connue pour le grand public. L’objet en 3D sera construit en fondant un filament de plastique et en empilant cette matière fondue couche par couche.
• Les matériaux supportés : La grande majorité de ce genre d’imprimante supporte le PLA, qui est le matériau le plus répandu et utilisé. Généralement, elle supportera également d’autres matériaux plus secondaires.
• Simple ou double extrusion : Avoir 1 ou 2 têtes d’impression est utile par exemple pour avoir un objet en 2 couleurs. Mais la double extrusion complexifie l’utilisation générale et n’est pas recommandée aux débutants.
• La vitesse : Une indication générale fournie par le constructeur qui influencera donc le temps total d’impression. Mais la vitesse est toujours un paramètre ajustable à chaque impression et qui influence la qualité du résultat final.
• La précision : Précision en micron des mouvements possibles de la tête d’impression, puis l’épaisseur d’une couche d’impression. Elle jouera sur le rendu final de l’objet avec des stries plus ou moins visibles et des contours plus ou moins jolis.
• Volume d’impression : Est la taille théorique maximum que pourra prendre un objet : en moyenne 20x20x20 cm
• Type d’adhésion : Plateau chauffant ou non : le plateau chauffant diminue les soucis d’adhésion de la pièce au plateau.
• Bruit : Une imprimante 3D est bruyante. En choisir une plus silencieuse peut être un critère.
• Montage : On peut retrouver 2 types de montage possibles
  • En kit : à monter entièrement soit même : fils, moteur, capteurs, unité centrale, alimentation…
  • Partiellement montée : le corps principal et l’arceau sont déjà assemblés, il ne reste plus qu’à les assembler et finir de brancher moteur et capteurs déjà en place.
• Autonivelant (3D touch) : recommandée pour rattraper les imperfections de planitude du plateau
• Support constructeur : Être sur que le constructeur offre un minimum de support, garanties et la possibilité de retrouver facilement des pièces de rechange, car oui, une imprimante 3D a des pièces d’usure à changer régulièrement.
• Support communauté : C’est un critère très très important ! Avoir une communauté active autour de la marque et modèle, car c’est absolument sûr que vous aurez besoin d’elle à un moment ou l’autre pour appréhender votre machine.
• Interface pilotage : Écran, boutons, interface USB ou réseau, logiciel d’origine sont aussi des critères à prendre en compte, mais qui restent pour moi des critères secondaires qui peuvent être palliés par des interfaces logiciel alternatives et génériques plus ergonomiques.
• Tarif : Enfin le critère le plus lourd dans la balance, mais qui bien entendu dépendra de tous les choix précédents.

Si vous voulez vous lancer, à vous de faire vos propres choix, mais surtout prenez le temps de bien vous documenter et de comparer les modèles.
À titre informatif, à l’heure où j’écris cet article, Amazon propose environ 4000 résultats pour la recherche « imprimante 3d » repartie en environ 50 marques différentes.
En choisissant du matériel trop bas de gamme il faudra finalement être prêt à s’investir plus en maintenance fasse aux s modèles haut de gamme eux plus orienté utilisation directe.

D’autres articles spécialisés sur internet vous guideront plus en détail dans le choix d’une imprimante :

La matière première

Tout comme les cartouches d’encre de l’imprimante classique, une imprimante 3D utilise des consommables. Dans notre cas de la technique FDM, il s’agit de bobine de fil « plastique » qui va se dérouler et être chauffée par la buse d’impression (extrudeur) pour être déposé en petite quantité aux endroits voulus.

PLA

La matière première la plus utilisée en impression 3D amateur est le PLA (l’acide polylactique, en anglais polylactic acid). Il s’agit d’un « faux plastique », car cette matière première est biosourcée à partir d’amidon de maïs et donc également biodégradable dans un composte. Ce qui permet d’avoir la conscience un peu plus tranquille quand on enchaine les ratés qui sont malheureusement courants.

Vous pouvez lire cet article plus détaillé sur le côté biologique du PLA, parfois controversé.

ABS

La deuxième matière première la plus utilisée est l’ABS (Acrylonitrile butadiène styrène). On peut parler ici de « vrai plastique » issue de produits pétroliers.
Il a l’avantage d’être un matériau beaucoup plus résistant que le PLA (qui lui est relativement fragile) et peut donc répondre à des besoins différents.

Autres informations

L’imprimante est généralement alimentée par une seule bobine, en conséquence implicite, l’impression sera donc d’une seule et même couleur. Certaines imprimantes proposent une double extrusion : Présence de 2 têtes d’impression qui permet d’alterner alors 2 couleurs.
Mais la monochromie des imprimantes n’est pas un vrai problème. L’impression 3D fait parfois naitre chez certains une passion pour la peinture de figurine par exemple.
Ou encore, certains modèles d’objet sont conçus pour être imprimés en plusieurs parties avant d’être assemblés. Dans ce cas, il est possible d’imprimer ces différents éléments en plusieurs étapes tout en chargeant de couleur de fil entre chacune d’elle.

Il existe aussi d’autres matériaux écoresponsables compatibles avec notre procédé du FDM.
À titre d’exemple, une société française (Francofil) a innové en créant de nouveaux fils de bioplastiques à partir de la coquille de moules, de blé ou encore du marc de café.

Le cout d’une impression

Le prix de la matière première reste relativement accessible en ce qui concerne le PLA.
Une bobine de PLA de 1 kg est vendue en moyenne 20 €.
L’impression de mon ours en qualité standard me consommerait 35 g, soit un cout total de 0,2 € de matière première.

Quand on se pose la question de savoir combien coute l’impression d’un objet, ce n’est finalement pas le cout de la matière première qui rentre en jeu en premiers lieux. C’est plutôt le cout d’utilisation de l’imprimante en elle-même qui pèse le plus et qui est difficile à évaluer : électricité, temps, manutention, maintenance, connaissances…

Du côté de la domotique

Avant de conclure, un aparté pour vous informer qu’il est possible de relier son imprimante à sa domotique, grâce par exemple au serveur d’impression Octoprint.

OctoPrint est un utilitaire gratuit et open source. Installable par exemple sur un RaspBerryPi puis relié à l’imprimante il peut ensuite permettre de la piloter ou bien de monitorer son fonctionnement. En bonus il expose ensuite toutes ces possibilités via une API.
Grâce à cette API, des solutions comme eedomus ou bien encore Jeedom peuvent permettre son intégration en domotique pour par exemple :

• Allumer l’imprimante à distance
• Lancer une impression
• Suivre l’avancement de l’impression
• Être alerté de la fin de l’impression
• Suivre les différentes températures
• …

Octoprint propose aussi une interface web qui facilite le pilotage. Si une imprimante n’est pas accompagnée nativement d’un bon logiciel de pilotage ou d’une interface homme-machine ergonomique (écran intégré, boutons), alors cette interface peut améliorer son accessibilité.

Les autres domaines

Je n’ai abordé dans cet article que l’impression 3D grand public, mais l’impression 3D au sens général est encore plus immense que ce que je viens de vous présenter !
Tous les évoquer serait difficile, mais voici un court aperçu de l’immensité des possibilités :

• Il existe d’autres procédés de fabrication différents du dépôt de matière couche-à-couche (FDM)
• Certaines sont capables de produire des objets en métal bien solide
• En médecine l’impression 3D peut créer des implants, des prothèses. Un prototype de cœur artificiel a même était réalisé
• De son côté la Nasa se sert de l’impression 3D pour élaborer des outils ultras spécifiques qui sont ensuite envoyés pour impression par les astronautes directement dans l’espace
• Plus décalé, la Nasa a également expérimenté une imprimante pour créer des Pizzas
• …

Conclusion

À la suite de cette lecture, j’espère que vous y voyez maintenant un peu plus clair sur ce qu’est l’impression 3D. Si vous hésitiez à vous lancer dans ce domaine, j’espère vous avoir apporté les réponses nécessaires pour vous guider à prendre votre décision. Il faut garder à l’esprit que ce n’est pas un chemin simple à parcourir, mais tout de même un chemin praticable à toute personne patiente et prête à y consacrer du temps.
L’impression 3D grand public est un domaine vaste où il y a de quoi faire. Il ne faut surtout pas perdre de vue qu’à notre niveau amateur l’intérêt principal de celui-ci est de prendre plaisir à créer soi-même !

Remerciements et références

Un remerciements à toutes les personnes ayant répondu au questionnaire en amont de cet article et qui m’a permis de me focaliser ici sur les points les plus essentiels à mettre en avant.
Merci à eux : Joffrey, Jérôme, Aline et enfin Michael dont je vous propose de consulter sont Instagram dédié.

Les liens vers les créations utilisées pour illustrer cet article :

• Le pot de fleurs à facettes par Marska
• Des pots de fleurs Hibou
• L’ours par Yahoo! JAPAN
• Le robot à assembler par Stefan Simons
• Le Faucon Millenium raté par Johannes

Yannick Severac

Développeur, technophile passionné d’informatique.