Accueil     Plan | Recherche     Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base  
Le logo du CERIG MÉMOIRE Cerig 
Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Impression 3D par dépôt de matière fondue Révision : 6 mai 2015  
Impression 3D par dépôt de matière fondue
 
             Manon CURTET et Margaux MORESCHI

Élèves ingénieurs 2e année
Mai 2014
Mise en ligne - Mai 2015

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

       
  Plan  
I - Introduction
II - Imprimer des objets
III - Analyse économique
IV - Perspectives
V - Conclusion
VI - Bibliographie-Webographie
Mémoire précédent    Liste des mémoires    Page technique    Mémoire suivant
Précédent Liste Thèmes Suivant

I - Introduction

Plan

   
Partagez sur Facebook
Rejoignez-nous
Voir aussi
            Imprimante 3D      
  Figure 1 - Imprimante 3D
[MakerBot]
 

L’impression 3D, également appelée fabrication additive ou fabrication numérique directe, permet de fabriquer un objet en créant un objet numérique et en l’imprimant en trois dimensions [Figure 1]. En plein essor, elle ouvre un large champ de possibilités techniques, avec des enjeux économiques importants. Utilisée essentiellement pour du prototypage, ses applications potentielles intéressent désormais de multiples secteurs d'activités : aéronautique, automobile, médical,... de même que le grand public. Pour certains, elle marque la démocratisation de la fabrication, une nouvelle ère de personnalisation en masse qui promet de stimuler l’innovation, d’encourager une meilleure utilisation des ressources et de transformer la façon de fabriquer des objets. Ils évoquent même une "troisième révolution industrielle".

Il n’y a pas une mais plusieurs techniques d'impression 3D – stéréolithographie, frittage sélectif au laser, dépôt de matière fondue,... – comportant chacune des variantes. Elles ne requièrent ni les mêmes équipements, ni les mêmes matériaux et sont employées en fonction des applications visées.

Notre étude porte plus particulièrement sur l'impression 3D par dépôt de fil de matière fondu, ses caractéristiques techniques, l'état du marché et ses perspectives.

II - Imprimer des objets

Plan

Dans un premier temps, l'impression 3D est une invention de science-fiction. En 1964, Arthur C. Clarke, l'auteur de "2001 : l'Odyssée de l'espace", imagine une machine, The Replicator, grâce à laquelle  "les objets [seraient] aussi faciles à fabriquer qu'aujourd'hui les livres à imprimer".

II-1 - Imprimer en trois dimensions

Lors de son apparition, il y a environ 25 ans, son usage est strictement professionnel et dédié au prototypage. La SLA-2502 est la première imprimante 3D commercialisée en 1988 par 3D Systems, entreprise fondée par l’ingénieur Chuck Hull qui, en 1984, a breveté le procédé de stéréolithographie. 3D Systems est également à l'origine du format de fichier STL. En 1988, Scott et Lisa Crump créent Stratasys et développent le procédé Fused Deposition Modeling ou dépôt de matière fondue. En 1993, des ingénieurs du Massachussetts Institute of Technology mettent au point le procédé 3DP, industrialisé par Z Corporation dès 1995.

Dès 1996, le terme "imprimante 3D" est utilisé. Jusqu'en 2006, la technologie d'impression 3D est améliorée, uniquement pour un usage professionnel. En 2005, pour la première fois, une imprimante 3D, la Spectrum Z510 (Z Corporation), fabrique des objets directement en couleur. De 2005 à 2007, l’impression 3D devient accessible au grand public via des entreprises comme Shapeways (Pays-Bas) ou encore Sculpteo (France). Aujourd'hui, le marché de l’impression 3D est en plein déploiement et touche de nombreux secteurs. Soixante fois plus d’imprimantes 3D ont été vendues dans le monde en 2011 qu’en 2008. Les prix ont chuté : une imprimante 3D peut coûter moins de 500 euros.

Des objets de différentes tailles peuvent être fabriqués, de la figurine miniature à la maison entière. Ainsi, en 2014, Shanghai WinSun Decoration Engineering Co a imprimé en 3D dix maisons mesurant 200 m2 chacune pour un coût de seulement 30 000 yuans, soit environ 3 500 euros ! Pour ce faire, la société chinoise a développé une imprimante 3D imposante – 32 mètres de long, 10 mètres de large pour 6,6 mètres de hauteur – et utilisé du béton composé de ciment et de fibres de verre, issus de déchets de construction.

II-1-1 - Principes de base

Fabrication additive

L’impression 3D fonctionne toujours par ajout de matière et non par soustraction comme la plupart des techniques traditionnelles de fabrication. L’objet est réalisé en travaillant le matériau couche après couche, selon le tracé indiqué par l’ordinateur relié à l'imprimante 3D. Les différences entre les procédés concernent généralement la façon dont les couches sont créées.

Procédé à commande numérique

L’impression tridimensionnelle nécessite une imprimante adéquate. De taille et d’aspect divers, elle est toujours reliée à un ordinateur et va de pair avec un ensemble de logiciels destinés à préparer un fichier 3D pour l’impression et à positionner la pièce dans l’imprimante. Le processeur et le firmware présents dans l’imprimante reçoivent ensuite ces données et contrôlent toute la phase d’impression.

Fichier 3D

Pré-requis indispensable, il est créé à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D ou généré à partir d’un scanner 3D. Les modeleurs 3D sont par exemple OpenSCAD, FreeCAD ou encore Blender. Au final, il y a un format de fichier STL. À ce jour, une imprimante 3D ne peut pas fabriquer un objet à partir d’un simple croquis ou d’une illustration 2D.

Matériaux

Les matériaux servant à l’impression tridimensionnelle sont variés. Le plus communément utilisé est le plastique, sous des formes différentes suivant le procédé : liquide (résine) pour la stéréolithographie, poudre (polyamide) pour le frittage laser, ou filaments (Acrylonitrile Butadiène Styrène). Les métaux comme le titane et l’acier sont largement employés en raison de leur solidité et de leur légèreté, supérieures à celles du plastique. Ils sont aussi plus économiques. L’or, l’argent, le bronze et le platine peuvent être utilisés après avoir été fondus. Un autre matériau adaptable à l’impression 3D est la céramique. Cependant, le temps d’impression est plus long que pour les autres matériaux. Enfin, il est également possible d'employer du chocolat, des tissus humains, du béton…

II-1-2 - Procédés d'impression 3D

Impression 3D par photomolymérisation

Ce procédé utilise des polymères liquides capables de se solidifier à la lumière. Il est basé sur la plus ancienne technique d’impression 3D, la stéréolithographie [Figure 2]. Il est également présent dans d’autres technologies comme la Digital Light Processing (DLP), qui utilise un projecteur homonyme pour fixer les photopolymères, et le PolyJet, un procédé permettant d’obtenir des objets combinant plusieurs matières et couleurs.

                Procédé stéréolithographique      
  Figure 2 - Procédé stéréolithographique
[CustompartNet]
 
     

Impression 3D par liage de poudre

Elle regroupe les procédés de frittage sélectif par laser [Figure 3], SLS et DMLS, ainsi que les techniques E-Beam, EBF et 3DP. La poudre, utilisée comme matériau de base, est fusionnée selon des techniques variées. Le principal avantage de la poudre est de permettre d'imprimer une grande diversité de matériaux : verre, céramique, plastique, métal (l’une des grandes avancées du domaine).

                Procédé de frittage sélectif par laser (SLS)      
  Figure 3 - Procédé de frittage sélectif
par laser (SLS)
[3Dnatives]
 
     

Impression 3D par dépôt de matière fondue

Ce procédé est aussi appelé Extrusion, Fused Filament Fabrication, Plastic Jet Printing et, le plus souvent, Fused Deposition Modeling (FDM) [Vidéo 1] [Figure 4].

                      Procédé de dépôt de matière fondue  
  Vidéo 1 - Fused Deposition Modeling (FDM) Technology
[YouTube]
  Figure 4 - Procédé de dépôt de matière fondue
[CustompartNet]
 
         
            Buse ou tête d'impression      
  Figure 5 - Buse ou tête d'impression
[3Dnatives]
 

La première étape est la conception de l’objet à partir d’un logiciel de CAO (CATIA, SolidWorks, ProEngineer par exemple). Le fichier 3D obtenu, le plus souvent au format STL, est découpé en plusieurs couches via un logiciel comme MakerWare, avant d’être envoyé à l'imprimante. La plupart du temps, des structures de support sont également générées. La machine peut contenir plusieurs matériaux pour réaliser des objectifs différents : par exemple, utiliser un matériau pour construire le modèle et un autre en tant que structure de support.

        Impression 3D par dépôt de matière fondue  
  Figure 6- Impression 3D par dépôt
de matière fondue
[Wikipedia]
 

L’impression 3D démarre par la mise à température de l'imprimante, autour de 200°C, nécessaire pour la fusion de la matière. Une fois la machine chauffée, un fil de matière, d'environ 0.1 millimètre de diamètre, est extrudé c’est-à-dire déposé sur une plateforme à travers une buse ou tête d’impression [Figure 5]. Le filament de matière – le plus souvent du plastique ou du métal – est déroulé d'une bobine par un mécanisme à vis qui pousse le filament dans la buse à une vitesse contrôlée. Le flux de matière peut être arrêté et redémarré sur commande.

La buse est chauffée afin que le matériau fonde. Dans le cas des thermoplastiques, elle est chauffée à une température supérieure à la température de transition vitreuse du matériau. La matière est ensuite extrudée à travers la buse, qui peut être déplacée dans la direction tant horizontale que verticale par un mécanisme numériquement contrôlé. Elle suit un chemin vérifié par un progiciel (CAM). Le modèle utilisé est souvent un design rectiligne suivant les axes X-Y-Z, bien que d'autres formes de conception aient déjà été employées [Figure 6].

Chaque couche déposée se solidifie immédiatement et la plateforme descend d’un niveau pour que chaque nouvelle couche soit extrudée sur la précédente, jusqu’à impression totale de l’objet. Une fois l’impression terminée, l’objet durcit à l’air. Il est possible de distinguer à l’œil nu les différentes couches de matière déposée. La qualité ainsi que la précision de l’objet imprimé dépendent essentiellement du diamètre de la buse et de l’épaisseur du fil de matière déposé. Elle peut atteindre le dixième de millimètre pour les modèles les plus performants.

La technologie de dépôt de matière fondue est composée de deux parties : un matériau de modélisation qui constitue la pièce achevée, et un matériau support tenant lieu d'armature. Ce dernier est détaché ou dissous dans du détergent et de l'eau. La pièce est alors prête à l'utilisation.

Cette technologie est compatible avec un large choix de polymères thermoplastiques : acrylonitrile butadiène styrène, polycarbonate, polyphenylsulfone, polyetherimide (ULTEM). Cela se traduit par une large gamme de couleurs – 98% des couleurs de Photoshop sont disponibles –, d’excellentes propriétés mécaniques et de bio-compatibilité. Certaines imprimantes acceptent aussi les polycarbonates 5PC, les polycaprolactones, les polyphénylsulfones 5PPSF°, l’ULTEM 9085 – un plastique connu pour sa résistance au feu, particulièrement adapté à l’aérospatiale – et les cires. De plus, il est possible d’imprimer en 3D avec des filaments de bois, de pierre, de céramique et de matières alimentaires en faisant des adaptations au niveau de la tête d’extrusion. En effet, elle peut être remplacée dans certains cas par une seringue : à titre d'exemples, Fab@Home pour l’impression de fromage ou encore les imprimantes Organovo pour l’impression de cellules.

Les avantages du dépôt de matière fondue sont les suivants : cette technologie est la meilleure pour les imprimantes 3D de bureau et donne une très bonne qualité d’impression. De nombreux matériaux sont envisageables (ABS, PLA) et un large choix de coloris peut être concevable. Ce procédé est simple à utiliser et plus rapide que d’autres techniques d’impression 3D. Cependant, la précision de ce procédé est moyenne, surtout pour les imprimantes personnelles, car le filament est parfois difficile à maîtriser. De plus, il faut noter une résistance médiocre à la pression dans le temps ce qui entraîne un manque de robustesse du produit imprimé. Par ailleurs, il y a peu de fichiers STL disponibles pour cette technique et peu de matériaux éco-responsables [Tableau 1].

Procédé Inventeur Caractéristiques
Fused Deposit Modeling (FDM) Stratasys Fonte d'une résine de plastique à travers une buse chauffée à haute température (extrusion).
Modélisation de l'objet par un dépôt de fils en fusion (10-1 mm).
Modelage à Jets Multiples (MJM) 3D Systems Dépôt d'une couche de résine très fine (16 microns d'épaisseur).
Technologie la plus précise.
Objet reconstitué par couche de résine liquide suivant des projections successives d'images de coupe 2D qui font durcir la résine.
Film Transfert Imaging (FTI)   Objet reconstitué par couches de résine liquide suivant des projections successives d'images de coupe 2D qui font durcir la résine.
Color Jet Printing (CJP) Z Corporation Seule technologie capable d'imprimer en couleur.
Matériau utilisé: poudre blanche
Stéréolithographie Apparatus (SLA) Materialise Une plateforme mobile supportant le modèle est plongée dans une cuve de résine liquide sensible au traitement UV. Un laser fixe UV balaie la surface de la résine pour donner forme à l'objet.
Selective Laser Sentering (SLS) ou frittage de poudre
Un laser solidifie localement la surface de poudre et l'agglomère aux couches précédentes par frittage (chauffage sans fusion).
Similaire à la SLA.

Tableau 1 - Procédés d'impression 3D, caractéristiques et nom de l’entreprise créatrice

Parmi les entreprises liées au secteur de l’impression 3D, la pionnière est l'américaine 3D Systems, aujourd’hui encore leader du marché, notamment grâce à l'acquisition en 2012 de Z Corporation et à la distribution de la ZPrinter® 250 polychrome. Aux États-Unis, ses concurrentes sont Stratasys, Objet & MakerBot et Solidscape. En Europe, Albyco et Materialise (Belgique), Blueprinter (Danemark) et Creatrix3D (France) sont les entreprises les plus importantes.

II-1-3 - Fichiers et logiciels

Il est important de comprendre les différentes étapes qui précèdent l’impression. En effet, les fichiers et les logiciels 3D sont nécessaires pour convertir l’image 2D en objet. Pour ce faire, plusieurs méthodes existent, la première consistant à modéliser l’objet sur un ordinateur.

Modélisation

À de rares exceptions près, disposer d'un fichier 3D est une obligation pour imprimer un objet. Celui-ci peut être créé à partir d’un logiciel de modélisation 3D, obtenu sur un site spécialisé ou avec un scanner 3D. Pour matérialiser l’objet, la première solution consiste à le modéliser c’est-à-dire à le reproduire en trois dimensions sous la forme d’une image. Pour cela, des logiciels sont disponible et répartis en trois groupes.

Le choix du modeleur est fait en fonction de la nature de l’objet visé, de sa forme, de sa composition et de son utilisation. Les prix et la complexité varient en fonction des modeleurs.

La deuxième méthode consiste à scanner l’objet à imprimer avec un scanner 3D.

Scan 3D

Les modèles de scanners présents sur le marché sont répartis en plusieurs catégories.

                Scanner à lumière structurée      
  Figure 7 - Scanner à lumière structurée
[3D Scanners]
 
     
                Scanner laser      
  Figure 8 - Scanner laser
[3D Printers]
 
     
                Scanner stéréoscopique      
  Figure 9 - Scanner stéréoscopique
[ZiggyTek]
 
     

Une dernière méthode, la moins chère du marché mais aussi la moins précise, est la méthode Kinect. Il s’agit d’une caméra qui détecte les mouvements et les images. Cette technique, qui est à la base un périphérique de la console Xbox, a été détournée de son usage initial pour jouer le rôle d’un scanner en la couplant à différents logiciels tels que le SCENECT, le Skanect ou encore le ReconstructMe.

Exportation du fichier 3D

Quelque soit la méthode utilisée – modélisation, scan 3D ou récupération d’un fichier 3D sur Internet –, le fichier doit être exporté dans l'un des deux formats suivants.

Le fichier exporté se présente sous la forme d’un maillage composé de plusieurs triangles déterminant le volume de l’objet dans l’espace. Le maillage doit être bien fermé pour être considéré comme solide. De plus, sa qualité est importante car elle influe sur le résultat final de l’impression. En effet, il faut éviter une quantité trop importante de triangles qui alourdit la manipulation, l’existence de trous et pics éventuels dans le maillage, une trop grande distance avec le modèle scanné et une mauvaise précision des bords et courbures [Figures 10 & 11].

La taille maximale de l’objet imprimé dépend de l'imprimante utilisée. Quelques exemples :

                Fichier scan : résultat du maillage de 237322 triangles       Fichier STL  
  Figure 10 - Fichier scan : résultat du maillage de 237322 triangles
[5Axes]
  Figure 11 - Fichier STL
[5Axes]
 
         

Tranchage du fichier 3D

Lorsque le fichier est exporté, avant de lancer l’impression, il reste une dernière étape à exécuter : trancher le fichier. En effet, un logiciel (slicer) doit découper le fichier en tranches, chacune d’elles représentant une portion du modèle à imprimer. Exemples de logiciels de tranchage : Magics 17 et MeshLab. Plus la résolution est mince, plus il faut de tranches et donc, plus le découpage est long. C’est à cette étape qu'est calculée la densité de la pièce c’est-à-dire la quantité de matière nécessaire pour la remplir ainsi que l’épaisseur de sa surface externe. En général, chaque imprimante 3D possède son propre logiciel de tranchage intégré.

Pour réaliser une impression couleur, un fichier contenant les informations sur la couleur est requis en plus du fichier d’export. L’imprimante permettant ce type d’impression est la ZPrinter : elle colore seulement le contour de l’objet.

III - Analyse économique

Plan

III-1 - Marché de l'impression 3D

Selon le rapport de Wohlers Associates publié en 2014, le marché de l’impression 3D, comprenant la vente d’imprimantes 3D, de consommables et de services associés dans le monde entier, a représenté 3,07 milliards de dollars pour 2013. Selon ce cabinet de conseil américain, ce chiffre pourrait monter à 12,8 milliards en 2018 et dépasser les 21 milliards en 2020. Il parie sur la démocratisation et l’augmentation des ventes des imprimantes 3D personnelles et sur l’utilisation toujours plus intensive de l’impression 3D dans l’industrie, notamment pour la fabrication de pièces mécaniques. Ce marché de l'impression 3D croît rapidement. Le rapport 2014 fait état d'une croissance de 34,9% sur un an, soit l’évolution la plus rapide en 17 ans. De 2011 à 2013, les taux de croissance annuelle avaient déjà augmenté autour de 32,3%. Devenant plus familiers avec cette technologie, les industriels passent de la production de prototypes à celle de produits finis. Or, selon Wohlers Associates, c’est dans la fabrication qu’il y a de l’argent, pas dans le prototypage.

Depuis plusieurs années, le développement de l’industrie de l’impression 3D repose sur deux paramètres principaux : la baisse des prix et l’augmentation de la concurrence. En effet, après l'expiration en 2009 de brevets sur l’impression par dépôt de matière fondue, le prix de certaines imprimantes a baissé jusqu'à moins de 1000 dollars. Par ailleurs, la concurrence fait rage et les rachats d’entreprises se multiplient. Par exemple, en 2013, Stratasys fusionne avec Objet, achète MakerBot ainsi que 81% des parts de Phenix Systems, fournisseur français de frittage laser en métal. Les bénéfices des géants du secteur, 3D Systems et Stratasys, connaissent de fortes augmentations [Tableau 2].

                Principaux acteurs de l'impression 3D en 2011      
  Tableau 2 - Principaux acteurs de l'impression 3D en 2011
[Journal du Net]
 
     

Dans le détail, les ventes des imprimantes industrielles progressent lentement (5,4% en 2011). Ce n’est rien par rapport à la hausse vertigineuse des ventes d'imprimantes destinées aux particuliers [Figure 12].

                Pays les plus équipés en imprimantes 3D      
  Figure 12 - Pays les plus équipés
en imprimantes 3D
[Journal du Net]
 
     

Selon Gartner, en 2013, le nombre d'imprimantes 3D vendues dans le monde atteint les 56 507 unités, en progression de 49% par rapport à 2012. Le cabinet d'études américain estime ce marché à 412 millions de dollars contre 288 millions en 2012, soit une hausse de 43%.

La technologie d'impression 3D se développe et les investisseurs se multiplient. 40,2% des imprimantes 3D industrielles produites depuis 1988 sont installées en Amérique du Nord, 29,1% en Europe et 26,3% en Asie et Pacifique. Le plus grand nombre de pièces métalliques est imprimé en Europe. En revanche, en Asie, l'impression en trois dimensions est encore majoritairement réservée à la fabrication de prototypes.

Pour mieux comprendre les différents enjeux économiques, le diagramme de Porter ci-dessous permet de caractériser l'environnement concurrentiel de l'impression 3D par dépôt de matière fondue [Figure 13].

                Diagramme de Porter pour l'impression 3D par dépôt de matière fondue       
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 13 - Diagramme de Porter
 
     

La chaîne de valeur décrit un ensemble d'activités interdépendantes dont la poursuite permet de créer de la valeur identifiable et, si possible, mesurable. Elle intègre toutes les étapes, de l'approvisionnement en matières premières à la consommation finale [Figure 14].

                Chaîne de valeur pour l'impression 3D par dépôt de matière fondue       
  Figure 14 - Chaîne de valeur  
     

III-2 - Impacts juridiques de l'impression 3D

III-2-1 - Impression 3D et protection de la propriété intellectuelle

Les performances techniques et la démocratisation de l'impression 3D soulèvent des problématiques liées à la protection des droits de propriété intellectuelle. "En théorie, quatre aspects de la propriété intellectuelle sont applicables aux impressions 3D : le droit des brevets, le droit des marques, le droit des dessins & modèles et le droit d’auteur. En pratique, le droit d’auteur ne confère pas de protection s’agissant des copies privées. La copie privée ne tombant pas sous le coup des contrefaçons, il serait alors facile d’imprimer un objet en omettant simplement d’apposer les éléments constitutifs de la marque comme le nom par exemple" [Dreyfus].

Comme l'indique C. Jewell de l'Organisation Mondiale de la Propriété Intellectuelle (OMPI) : "L’impression 3D est à la fois une technique de fabrication et une technologie numérique; c’est pourquoi elle facilite la copie non autorisée d’objets. Comme d’autres fichiers numériques, les plans de CAO sont faciles à copier et difficiles à tracer. La copie est également facilitée par l’existence de numériseurs 3D à bas prix, qui permettent de numériser un produit standard immédiatement disponible, de créer un plan 3D et de le distribuer en ligne".

"Or, l’objet créé à partir de l’impression 3D peut être une copie d’un objet préexistant protégé par des droits de propriété intellectuelle", rappelle A. Magniez dans IT Expert Magazine. "En l’état actuel du droit, la qualification de contrefaçon qui sanctionne une atteinte aux droits de propriété intellectuelle, est cependant encadrée et toute fabrication d’objets par l’impression 3D n’est pas illicite. De même, tous les acteurs intervenant dans le processus de la fabrication de l’impression 3D ne peuvent pas tous être poursuivis pour contrefaçon".

Les nouvelles pratiques induites par le développement de l'impression 3D, notamment dans le grand public, créent une situation juridique complexe, source de nombreuses interrogations et révélatrice de la nécessaire évolution du dispositif de protection de la propriété intellectuelle.

Des solutions doivent être explorées afin de "protéger les titulaires de droits de propriété intellectuelle qui ont investi sur la création d’objets protégés [ ] tout en ne freinant pas la diffusion à grande échelle de cette nouvelle technologie source d’innovations futures et recélant un potentiel de nouveaux comportements" : le streaming de design 3D ou logiciel permettant de créer un seul objet par impression 3D, le fichier étant détruit après sa première utilisation [ ], l'identification numérique des objets fabriqués par impression 3D par un marquage particulier qui serait automatiquement inclus dans le programme conduisant à l’impression 3D, sans possibilité de déprogrammer cet élément [IT Expert Magazine].

III-2-2 - Impression 3D et multiplication des brevets

En 2013, avec son rapport "3D printing: a patent overview", l'Intellectual Property Office britannique publie une analyse détaillée sur plus de 9000 brevets datant de 1980 à 2013, liés au domaine de l’impression 3D. Il révèle que les dépôts de brevets ont explosé depuis 2000, atteignant un pic en 2012. La plupart des sociétés à l’origine des brevets sont basées aux États-Unis suivis de près par le Japon. Les deux géants américains du secteur, 3D Systems et Stratasys, sont les acteurs les plus actifs. Les principaux domaines d’application de ces brevets sont la santé (prothèses osseuses, implants dentaires, équipements médicaux...), les circuits imprimés et les électrodes [Figure 15].

                Comparaison des brevets accordés et des demandes de brevet par année de publication       
  Figure 15 - Comparaison des brevets accordés et des demandes
de brevet par année de publication
[IPO]
 
     

III-3 - Analyse du marché

III-3-1 - Diagnostic stratégique

Étudions avec la matrice SWOT ci-dessous, les forces et faiblesses de l'impression 3D par dépôt de matière fondue ainsi que les opportunités et menaces de son environnement [Tableau 3].

Forces Faiblesses
  • Production de pièces à géométrie complexe (reliefs, cavités)
  • Objets réalisés avec de bonnes propriétés mécaniques et thermiques
  • Vitesse et facilité d'utilisation
  • Diversité des matières premières utilisables
  • Stabilité du produit fini
  • Densité de l'objet ajustable
  • Filament de matière difficile à maîtriser
  • Précision d'impression 3D moyenne selon l'imprimante et le matériau utilisés
  • Objet imprimé obligatoirement monochrome et monolithique
  • Aspect médiocre : fils fondus visibles à l'œil nu
  • Taille limité des objets imprimés
  • Faible recyclabilité des matériaux imprimés en 3D
  • Coûts élevés (technologie, matériaux)
  • Faible résistance des pièces fines (pression, température)
  • Limites au niveau des logiciels (reproductibilité partielle)
Opportunités Menaces
  • Forte demande pour le prototypage rapide
  • Dépôt de matière fonduel : procédé le plus adapté et abordable pour les imprimantes 3D personnelles
  • Autres procédés plus adaptés à l'industrie (SLA, SLS)
  • Techniques réalisant la quadrichromie

Tableau 3 - Diagnostic stratégique via la matrice SWOT

L’impression 3D par dépôt de matière fondue comporte encore de nombreuses faiblesses et est fortement menacée par d'autres méthodes. Cependant, sa facilité d’utilisation et sa grande stabilité en font une technologie en forte croissance.

III-3-2 - Tendances

Comment choisir une imprimante 3D ? Voici quelques pistes avec les tendances listées à l'aide du site 3D Hubs [Annexes].

Imprimantes 3D les plus populaires

Trois imprimantes 3D se démarquent (plus de 50% du nombre total d’imprimantes 3D) : l’Ultimaker (20,5%), les imprimantes de MakerBot (19,9%) et les RepRaps (11%). Cette position dominante peut s'expliquer par le fait que Ultimaker et MakerBot ont une forte relation de proximité avec la communauté des passionnés d’impression 3D et participent à de nombreux événements sur l’impression 3D ces dernières années.

Distribution géographique des imprimantes 3D

L’Ultimaker est l’imprimante 3D la plus populaire en Europe, loin devant les imprimantes de MakerBot. En Amérique du Nord, la tendance est inversée. Cette différence s’explique probablement par le fait qu’Ultimaker est une entreprise européenne et MakerBot une entreprise américaine. Bien que les deux s’exportent, il faut attendre quelques années pour voir peut-être la situation s’équilibrer.

Matériaux et couleurs utilisés

La quasi-totalité des imprimantes 3D proposent des impressions en matériau plastique. En effet, les imprimantes 3D grand public actuelles reposent, pour la plupart, sur la technologie de dépôt de matière fondue. Par conséquent, elles utilisent des bobines d'ABS et de PLA. En ce qui concerne les couleurs, la répartition est assez variée.

Exploitation des imprimantes 3D

Les imprimantes 3D sont exploitées principalement pour du prototypage. Cependant, la fabrication de produits finis est en progression.

Quel avenir pour l’impression 3D ?

Le rapport "3D Printing Market by Technology (SLA, SLS, EBM, FDM, EBM, LOM, 3DP), Materials (Polymers, Metal), Application (Aerospace, Automotive, Consumer, Healthcare, Government & Defense), and Geography (Americas, Europe, APAC, & ROW) - Global Forecast to 2020" du cabinet d’études MarketandMarket fait un tour d’horizon complet de la technologie, de ses matériaux et applications, et prévoit que le marché global de l'impression 3D pourrait atteindre 8,43 milliards de dollars en 2020... [Figure 16]

                Perspectives d'évolution des revenus du marché global de l'impression 3D de 2013 à 2020       
  Figure 16 - Perspectives d'évolution des revenus du marché global
de l'impression 3D de 2013 à 2020
[3ders]
 
     

Les principaux procédés d'impression 3D sont actuellement la stéréolithographie (SLA), le frittage laser (SLS), le procédé E-Beam (EBM), et le dépôt de matière fondue (FDM). Cette domination se poursuivra dans les dix prochaines années mais d’autres méthodes – procédé par encollage de papier (LOM), techniques à jet d’encre et autres – sont appelées à se développer.

Parmi les matériaux disponibles pour l'impression 3D, il faut noter l’émergence des polymères, métaux et alliages ainsi que de la céramique, du sable ou du papier.

Les principaux domaines d’application sont les industries aérospatiale, aéronautique, automobile, médicale – dans ces secteurs, les applications d'impression 3D connaissent la plus forte croissance – la défense, les machines professionnelles, l’éducation, la recherche et bien d’autres comme les arts ou l’architecture.

Ainsi, dans le secteur automobile, des constructeurs, comme Land Rover et Audi, fabriquent des pièces par impression 3D. De même, les leaders de l'aéronautique, Airbus et Boeing, y ont recours pour améliorer les performances de leurs avions et réduire les coûts de maintenance et de combustible. En effet, les composants d’avion réalisés par impression 3D sont 65% plus légers mais tout aussi résistants que les pièces usinées traditionnelles, ce qui permet de réaliser des économies considérables et de réduire de façon significative les émissions de carbone. D'ailleurs, il y a même un projet de fabriquer la totalité d’un avion par impression 3D d’ici 2050 : Airbus, associé à une compagnie aérienne sud-africaine et au Conseil sud-africain pour la recherche scientifique et industrielle, étudie l’utilisation de la fabrication additive par couches de poudre de titane pour construire des composants d’avion complexes à large échelle.

La NASA, quant à elle, étudie la possibilité d’utiliser des imprimantes 3D dans la station spatiale internationale afin de fabriquer des pièces détachées sur place.

La médecine connaît un fort engouement pour l’impression 3D afin de produire des prothèses et des appareils auditifs, de traiter des maladies difficiles et de faire avancer la recherche médicale. En 2009, Organovo, en partenariat avec Invetech, crée la première bio-imprimante 3D du monde : à partir de cellules humaines, elle produit des tissus 3D pour la recherche médicale, notamment pour élaborer des médicaments et des applications thérapeutiques. En 2010, la société annonce la production des premiers vaisseaux sanguins bio-imprimés.

Enfin, le rapport distingue quatre marchés géographiques majeurs : l’Amérique, l’Europe, l’Asie-Pacifique et le reste du monde. Des économies en développement comme la Chine ou l’Inde sont celles où les opportunités seront les plus grandes, notamment à cause de la hausse des niveaux de vie et des salaires moyens. La Chine a déjà pris des mesures concrètes en investissant et en finançant des programmes de R&D sur ces sujets.

Grâce à l'impression 3D, les fabricants produisent à proximité du lieu de distribution et s’adaptent aux besoins locaux, au contraire du modèle industriel globalisé. Cette technologie pourrait donc permettre de relocaliser la production avec des matières premières provenant du même lieu, ce qui serait cohérent avec les réflexions actuelles sur le développement durable. De plus, l’exemple de l’entreprise Filabot, qui recycle des matériaux plastiques pour les transformer en filaments utilisables pour l’impression 3D par dépôt de matière fondue, illustre l’impact au niveau durable de la technologie. Par ailleurs, cette méthode de fabrication additive permet de limiter le coût et la quantité de déchets liés à la fabrication d’un objet parce qu’elle n’utilise que la quantité de matériau requise pour fabriquer le composant ainsi que son support. Par conséquent, la production d’une pièce par impression 3D consomme moins de ressources et d’énergie qu'une production classique. Les pièces usinées, étant monoblocs, ont plus de résistance mécanique que des pièces multiblocs et, par conséquent, des cycles de vie plus longs, nécessitant moins de coûts de maintenance.

IV - Perspectives

Plan

IV-1 - Scénario 1 - D'ici 15 ans : avec l’impression 3D, les emplois industriels sont pourvus aux États-Unis et en Europe plutôt qu’en Chine ou en Inde

Convaincu que l'impression 3D permettra de rapatrier les emplois industriels perdus, le président des États-Unis a inauguré le 15 août 2014 le National Additive Manufacturing Innovation Institute (NAMII). Ce dernier, en partenariat public-privé, doit recevoir 70 millions de dollars de financements dont 30 du gouvernement fédéral. Cependant, les emplois ne reviennent pas du jour au lendemain et surtout, ils sont très différents. Selon des spécialistes, l'impression 3D génère de nouvelles activités et des emplois plus qualifiés et l'infrastructure autour de l'impression 3D est gigantesque, dans la distribution, le design, etc.

Puisque les produits peuvent être imprimés sur place à moindre coût, il n'y a plus de raison de délocaliser leur fabrication. Avantages : le transport de marchandises long et coûteux devient inutile de même que la production de masse. Elle est faite en fonction des besoins, ce qui entraîne la disparition des invendus et des stocks. De plus, l'impression 3D étant une technologie additive réduit le gâchis de matériaux, inévitable avec le procédé de découpe par lequel fonctionnent les machines d’aujourd'hui.

Toutefois, les industriels sont-ils prêts à accepter la fin de la production de gros volumes et l'appropriation de la technologie par les particuliers ? L'exemple de l'industrie du disque laisse prévoir que des entreprises affectées se tourneront vers le gouvernement pour demander la création de lois limitant le développement de l'impression 3D.

Probabilité de réalisation du scénario : 40%

IV-2 - Scénario 2 - D'ici 8 ans : l’impression 3D par dépôt de matière fondue se démocratise chez les particuliers et dans le prototypage

Après l’expiration du brevet déposé par Stratasys, le procédé de dépôt de matière fondue se développe dans le grand public. Chaque individu peut acheter une imprimante 3D à un prix abordable, environ 200 euros, pour une utilisation quotidienne : création d’objets de la vie courante voire usage alimentaire. Pour remplacer une pièce manquante ou cassée de voiture, téléviseur, appareil électroménager, etc., télécharger le fichier adéquat et imprimer l'objet à domicile, quelque soit le matériau, est à la portée de tous. Chacun peut désormais fabriquer des objets voire des aliments personnalisés (chocolat, fromage). De nouvelles activités économiques et commerciales émergent afin de répondre à cette demande croissante en réalisant des fichiers personnalisés. D'ailleurs, le gouvernement français encourage l'implantation de Fab Labs, ateliers dédiés à la fabrication d'objets ouverts au public qui peut y trouver divers outils : imprimantes 3D, appareils de découpe laser, etc.

Dans le secteur du prototypage, l’impression 3D par dépôt de matière fondue domine le marché, les procédés concurrents étant moins performants en termes de rapidité et de facilité d’utilisation. De plus, des matériaux éco-responsables compatibles avec ce procédé d'impression 3D sont développés. La recherche étudie activement les méthodes permettant d'imprimer plusieurs matériaux simultanément, avec de la couleur. La solution la plus appropriée est d’associer le dépôt de matière fondue avec le procédé jet d’encre 2D qui définit des zones colorées.

Probabilité de réalisation du scénario : 70%

IV-3 - Scénario 3 - D'ici 5 ans : l’impression 3D par dépôt de matière fondue ne parvient pas au stade industriel

Les industriels se tournent vers d’autres procédés d’impression 3D, photopolymérisation ou frittage laser par exemple, car le dépôt de matière fondue n’arrive pas à dépasser ses faiblesses comme l’impossibilité d’ajouter de la couleur, la trop grande fragilité des produits finis – souvent, certaines pièces très fines ne sont pas imprimées –, l’aspect esthétique grossier dû à la perception des fils fondus sur l’objet... Ces problèmes ne sont pas résolus assez rapidement face à l’essor des autres méthodes ce qui exclue le procédé de dépôt de matière fondue de la production de masse.

À long terme, le désintérêt des industriels freine voire arrête la R&D sur cette technologie, ce qui condamne les imprimantes 3D basées sur ce procédé à disparaître ou à se développer sur d’autres secteurs comme la bureautique et le prototypage.

Probabilité de réalisation du scénario : 55%

V - Conclusion

Plan

L’impression 3D est une technologie surprenante, susceptible selon certains d’entraîner une troisième révolution industrielle. Le dépôt de filaments de matière fondue pour créer couche après couche un objet, est l'une des principales méthodes d’impression tridimensionnelle. En effet, sur le marché, l'impression 3D par dépôt de matière fondue réalise d'importants bénéfices.

Cependant, ce procédé semble plus adapté à la fabrication d'objets par des particuliers plutôt qu’à la production industrielle. L'impression 3D recourant à ce procédé demeure cantonnée au prototypage et ne permet pas réellement la fabrication de produits finis commercialisables à grande échelle. L’étude des différents domaines d’application et des tendances ne nous permet pas de penser que les imprimeurs peuvent ajouter ce type d'activité à leurs activités traditionnelles. Il serait plus judicieux pour eux d’investir dans une autre technique d’impression 3D, comme le frittage laser ou la stéréolithographie.

Il faut noter que les industriels souhaitant intégrer l’impression 3D à leurs activités, se heurteront à des problèmes juridiques touchant à la propriété intellectuelle non encore résolus.

VI - Bibliographie - Webographie

Plan

    2D... 3D... imprimez !   Consulter
    3D Hubs. Local 3D Printing.   Consulter
SANCHEZ S.   L’impression 3D par dépôt de matière fondue, on vous explique tout !   3Dnatives, 11 août 2013
Consulter
    3D Printshow.   Consulter
    3D printing scales up.   The Economist, 7 septembre 2013
Consulter
    Scanner 3D Artec Spider : un nouveau scanner 3D d'une grande précision et de haute résolution   3D Scanners
Consulter
    Passage d'un fichier de point à un Fichier STL.   5Axes
Consulter
    Le dépôt de matière. Aniwaa
Consulter
RICCIARDI A.   L’impression 3D sur la voie de la démocratisation. Nouvelles Graphiques, septembre 2013, n°7, p.21-31
    Toute l’actualité sur l’impression 3D.   Be-3D
Consulter
JEWELL C.   L’impression 3D et le futur des objets.   OMPI Magazine, juin 2013
Consulter
DE ROTALIER J.   L'état de l'imprimé...   Cerig, 2013
Consulter
    3D Print.   Consulter
    Impression 3D : une révolution qui changera le monde. Canoe, 17 novembre 2013
Consulter
BERCHON M., LUYT B.   L’impression 3D.   Eyrolles : Paris, 2013, 200 p.
Consulter
    Le Scanner 3D de Real-View : 360° de numérisation.   Next INpact, 2 février 2009
Consulter
    Impression 3D et développement durable.   PlateforEco
Consulter
    L’impression en trois dimensions.   Imprimante 3D, 2013
Consulter
GOY M.   L'impression 3D sera-t-elle la prochaine bataille juridique ?   Les Numériques, 14 mars 2014
Consulter
    Wohlers Associates dévoile son rapport annuel sur l’impression 3D.   3D Natives, 6 mai 2014
Consulter
DEMOUSTIER Y.   Pourquoi l'imprimante 3D va révolutionner l'industrie : un secteur en construction.   Journal du Net, 15 novembre 2012
Consulter
GRÉGOIRE F.   Le marché de l’impression 3d pourrait atteindre les 21 milliards de dollars en 2020 !   Companeo, 16 septembre 2014
Consulter
    Les ventes d'imprimantes 3D explosent.   Les Numériques, 7 octobre 2013
Consulter
FILIPPONE D.   Imprimante 3D : chiffres d'affaires, nombre de ventes...   Le Journal du Net, 2 octobre 2013
Consulter
MAGNIEZ A.   L’impression 3D et la propriété intellectuelle.   IT-Expert Magazine, 4 novembre 2013
Consulter
    Impression en 3D et contrefaçon.   Dreyfus, 14 novembre 2013
Consulter
    Le frittage laser tombe dans le domaine public.   Primante, 9 février 2014
Consulter
    La bataille des brevets sur l’impression 3D ne fait que commencer…   3D Natives, 26 novembre 2013
Consulter
    3D printing: a patent overview.   Intellectual Property Office, novembre 2013
Consulter
BÉCARD T.   Qu'avez-vous à répliquer ? La révolution de l'imprimante 3D.   Télérama, 17 octobre 2011
Consulter
    3D Printing Market by Technology (SLA, SLS, EBM, FDM, EBM, LOM, 3DP), Materials (Polymers, Metal), Application (Aerospace, Automotive, Consumer, Healthcare, Government & Defense), and Geography (Americas, Europe, APAC, & ROW) - Global Forecast to 2020.   MarketandMarket, 2014
Consulter
    Des maisons de 200m2 imprimées en 3D pour 3 500€ !   3D Natives, 15 avril 2014
Consulter
    3D Printing Market worth $8.41 Billion by 2020.   3ders, 11 novembre 2013
Consulter 
     
  Mémoire précédent
Précédent
Liste des mémoires
Liste
Page technique
Thèmes
Mémoire suivant
Suivant
 
Accueil | Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base
Copyright © Cerig/Grenoble INP-Pagora
     
Mise en page : A. Pandolfi