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TPE 2015 - L'impression 3D - Production finale

Production finale par Monod Quentin, Schönfeldt Lucas, Schmidhauser Noé
by

Quentin Monod

on 23 March 2015

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Transcript of TPE 2015 - L'impression 3D - Production finale

2) La solidification par lumière
3) L'agglomération de poudre par collage
La finition consiste à chauffer la pièce et aspirer l'excédent de poudre. La 3DP, en plus d'être rapide, propose une large gamme de teintes. Son prix est très intéressant ( 6 fois moins cher qu'une imprimante stéréolithographique ). Cependant, la qualité est moins soignée et l'imprimante est moins précise. De plus, il est nécessaire de faire un traitement après l'impression de l'objet sinon il est plus fragile et les surfaces ne sont pas lisses.
L'imprimante 3D trouve une place dans les cuisines. Pour l'instant, elle ne peut qu' "imprimer" des plats simples qui se préparent couche par couche ( bonbon, chocolat, fruits, pizza etc... ) mais il est possible que dans le futur, elle puisse préparer des mets d'exception.
Aujourd'hui, ce genre de machines est encore à ses débuts car il reste encore beaucoup d'aspects perfectibles...


Tout d'abord, Foodini, une imprimante 3D fabriquée par Natural Machines. C'est la NASA qui a eu en premier l'idée d'utiliser des imprimantes 3D pour nourrir les astronautes.

Pour le moment, Foodini ne peut que fabriquer des bonbons, des gâteaux, des pizzas, des pâtes ou des apéritifs à partir d'ingrédients frais sous forme de capsules ( on prépare des aliments frais et on les ajoute dans la capsule avec une sorte de poudre alimentaire ) que l'on insère dans l'imprimante.
Arrière plan par prezcreation.com

Problématique : En quoi l'imprimante 3D d'aujourd'hui pourrait-elle révolutionner le monde de demain ?
Par Quentin Monod, Schmidhauser Noé, Schönfeldt Lucas
Travaux Personnels Encadrés 2014-2015
Sommaire :

I)
Introduction : L'imprimante 3D, une innovation de taille

II)
L'imprimante 3D : un futur chef cuisinier ?

III)
Une invention au service de la médecine contemporaine

IV)
L'impression 3D dans la fabrication de bâtiments

V)
Conclusion : Une machine qui pourrait subvenir aux besoins de l'Homme

L'imprimante 3D
I) Le fonctionnement de l'imprimante tridimensionnelle
Toutes les imprimantes 3D fonctionnent à partir d'un logiciel CAO ( Conception assistée par ordinateur ). Il faut d'abord dessiner la forme de l'objet souhaité. Les plans sont ensuite transmis à l'imprimante.
1) La FDM ( le dépôt de matière )
A) Le fonctionnement
La technique d’impression 3D utilisée dans la plupart des cas est celle du dépôt de matière. Cet équipement est présent dans la majorité des imprimantes tridimensionnelles.
Le fonctionnement de l’impression par dépôt de matière est simple :
Il faut que le nez de la buse chauffe jusqu’à environ 200°C, ce qui permettra la fusion des matériaux.
Une fois le matériau fondu, on l’utilise sous forme de fil de matière plastique
Ce dernier est déposé par la tête d’impression de l’imprimante aussi nommée « buse », en couches très fines de quelques centaines de microns (dixièmes de millimètres) d’épaisseurs.


La buse se déplace sur 3 axes (X,Y,Z ) puis dépose petit à petit le fil de matière fondue sur une plate-forme d’impression.

B) Les matériaux utilisables
Beaucoup de polymères thermoplastiques ( ABS, PLA, polycarbonate...) sont utilisables.
On peut aussi imprimer à l'aide de sorte de filaments composés de bois, de pierre mais encore d'aliments.

=> L'avantage sera la grande variété de couleurs.
Les
polymères thermoplastiques
sont des macromolécules de masse molaire très élevée susceptible d'être, de manière répétée, ramollie par chauffage et durcie par refroidissement.
A) La stéréolithographie (ou SLA)
Dans cette technique, la lumière joue un rôle essentiel :
Un rayon laser UV solidifie un liquide photosensible. Après avoir analysé le fichier CAO, le laser UV solidifie une première fois le liquide.

Quand la première couche a durci, l'opération est répétée jusqu'à ce que l'objet soit totalement imprimé.
Il faut ensuite le rincer à l'aide d'un solvant pour le débarrasser des résidus de résine puis il suffit de le chauffer à l'aide d'un four UV pour durcir la matière plastique restante.

Cette technique offre une grande précision ( 0,5 micromètres ) et une bonne qualité. De plus, elle permet de fabriquer des objets de très grande taille.
Cependant, elle a un coût bien plus élevé que la FDM et propose moins de couleurs que celle-ci. De plus, des vapeurs toxiques sont dégagées durant l'impression.

Schéma du procédé :
B) Le frittage laser
Le frittage laser utilise également un laser, mais ici, ce sont les matériaux qui différent.
En effet, on utilise dans ce type d'impression 3D une poudre (soit de céramique, de métal, de plastique, de verre...) contenue dans un bac.
Un rouleau étale une fine couche de poudre sur le plateau d'impression. Enfin, le laser intervient et fusionne les grains de poudre pour ainsi former une première couche. L'opération est répétée pour finalement former l'objet final. Ensuite, on débarrasse les grains de poudre qui n'ont pas fusionné en brossant ou en polissant l'objet.

L'avantage de cette technique est que la poudre non fusionnée est réutilisable. La précision de ce procédé est de l'ordre du dixième de millimètre. Les pièces fabriquées peuvent avoir une géométrie complexe.
Cependant, il demande une poudre aux grains homogènes. De plus, le laser doit être réglé très précisément.
C) La PolyJet
Les têtes d'impression (buses) déposent petit-à-petit de la matière photosensible sur une plaque de gel (afin d'éviter toute adhésion).
Une fois la matière déposée, elle est exposée à un rayon UV qui la durcit instantanément. L'opération est répétée jusqu'à ce que l'objet soit finalement imprimé.
Il faut ensuite nettoyer l'objet et le débarrasser des résidus.
Cette technique à l'avantage d'être très précise (une précision approchant les 5 micromètres).
Schéma du procédé :
TPE 2014-2015
Bobine de fil de polymère thermoplastique
Lors de ce procédé, on étale une fine couche de poudre sur une plate-forme d'impression. La buse va ensuite déposer de petites gouttes colorées de colle liquide. En mélangeant ces gouttes, on obtient alors la couleur choisie. La plate-forme s'abaisse au fur et à mesure que les couches de poudres sont collées jusqu'à obtenir l'objet final.
La technique la plus utilisée dans ce domaine se nomme la 3DP :
Ce bijou de technologie a un volume d'impression de 25x16.5x12 cm, pour une dimension totale de 43.8x43x43 cm (comparable à un four à micro-ondes)
Cependant, il ne faudra pas espérer que la machine fasse tout le travail. Effectivement, il est nécessaire de préparer les capsules (elle pourra en contenir 5 de 123 ml chacune) et les remplir avec des aliments et des mixtures cuisinées au préalable.
Si des aliments nécessitent une cuisson après leur "impression", il faudra également s'en charger. Le gain de temps par rapport à la simple cuisine manuelle paraît tout de suite moins évident...
Les avantages de Foodini sont multiples : la machine est capable d'élaborer des plats de formes originales et variées. De plus, l'impression de nourriture avec Foodini aiderait à éradiquer le gaspillage.


La ChefJet est aussi une imprimante qui a la capacité d'imprimer du chocolat ou des confiseries.
Son fonctionnement repose sur un mécanisme assez simple : un rouleau étale une fine couche de poudre sur la surface d'impression. Un étroit filet d'eau sort d'une buse et dessine sur la couche de sucre en suivant un schéma déjà programmé.

Lorsque l'eau rentre entre en contact avec la poudre elle recristallise.

Schéma du procédé :
Effectivement, la poudre utilisée pour préparer les capsules tiendrait 30 ans, ce qui signifie que l'on peut les conserver très longtemps !
Foodini n'est pas seulement un appareil électroménager. En effet, l'écran tactile de l'imprimante permet de se connecter à Internet. Il sera possible de consulter les recettes sur un site communautaire et proposer les siennes. Enfin, elle pourra être programmée à partir d'un ordinateur et/ou d'un smartphone.

1) L'exemple de Foodini
2) La ChefJet, une imprimante pâtissière
Le dessert se forme ainsi à une vitesse avoisinant les 2.5 cm par heure.
Il est ainsi possible de créer, d'imprimer des desserts de formes variées et complexes. L'innovation se limite à son imagination.

Le seul bémol est que imprimante se trouve sur le marché à un coût excédant les 3500€, et n'est ainsi que disponible pour les professionnels.
Sucreries imprimées par la ChefJet
La ChefJet, dimensions : 203x203x152 cm
Schéma du procédé :
3) L'impression de fruits
La start-up britannique Dovetailed a en effet mis
au point une imprimante capable d'imprimer de vrais fruits.
La technique employée se nomme "sphérification". Il faut ainsi mélanger du jus de fruit avec un alginate.
Une fois le mélange effectué, il est versé dans une solution de chlorure de calcium, formant de petites sphères composées de liquide en son centre et d'une paroie gélifiée.
Les fruits sont personnalisables, il est ainsi possible de modifier la taille, le goût ou même la texture du produit.
La fabrication de fruits comme la framboise, la mûre ou encore le cassis sont déjà possible, mais l'entreprise cherche à développer sa machine de manière à imprimer de plus gros fruits tel que des pommes ou des poires.

Vidéo du procédé :
II) L'imprimante 3D : un futur chef cuisinier ?
III) L'imprimante 3D : une invention au service de la médecine contemporaine
1) Le bioprint
Le bioprint est le nom du procédé permettant de créer des tissus humains par le biais d'imprimantes tridimensionnelles.
Les cellules proviennent de biopsies de patients ou de cellules souches. Ces dernières sont ensuite placées dans un milieu de croissance, leur permettant ainsi de se multiplier.
Lorsque le nombre voulu de cellules est atteint, les cellules sont stockées
C'est la première technique de bioprinting mise sur le marché, elle dispose cependant d'une faible résolution.
La cartouche d'encre biologique est lors de ce processus chargée dans une imprimante accompagnée d'une cartouche composée essentiellement d'eau, l'
hydrogel
.
Les cellules sont alors poussées mécaniquement à travers une micro-seringue.
La machine imprime une couche d'hydrogel suive d'une couche de cellules d'encre biologique. Par la suite, les deux couches fusionnent entre elles.

dans une cartouche, créant ainsi ce que l'on appelle
Bio Ink
ou encre biologique. Durant tout le processus cette encre biologique nécessite des conditions de vie compatibles à la survie de ces dernières.
Il faudra donc éviter de trop la chauffée. L'encre, liquide, est conservée à une température avoisinant les 20°C.
Voici les trois types de "Bioprinting" les plus courantes dans le monde :
Schéma du procédé :
Schéma du procédé :
Schéma du procédé :
A) La Micro-Extrusion
B) Bio-impression par laser
C) Impression par jet d'encre
Cette technique dispose d'une très haute résolution et exclu tout risque de bouchage.
C'est la technique la plus récente, et également celle présentant la création des dessins les plus complexes. De plus, les cellules obtenues ont une bonne viabilité car elles ne subissent pas de contraintes mécanique.
Ce type d'impression dispose d'une vitesse d'exécution très élevée (> 10 000 impulsions par seconde). Chaque impulsion du laser éjecte ainsi une micro-gouttelette vers le support, superposant les couches d'encre biologique.
Cette technique à l'avantage de disposer d'une très haute résolution et d'un faible coup car c'est la technique la plus simple.
La tête d'impression, dirigée par ordinateur, laisse s'écouler des micro-gouttelettes d'un liquide contenant les cellules.
L'éjection est alors provoquée par un procédé thermique ou encore piézoélectrique.
La couche biologique formée mesure alors une centaine de micrométres d'épaisseur, cette couche alors très fine permet de nourrir les tissus par simple diffusion.
L'échantillon est ensuite placé dans un bioréacteur. Ce dernier est un appareil dans lequel on multiplie des micro-organismes pendant quelques semaines
pour permettre aux cellules de s'organiser afin de former un véritable tissu.
2) Autre application médicale
En 2013 après la greffe d'une vertèbre à un enfant de 12 ans à Pekin, la technologie d'impression 3D a une fois de plus montré son importance dans le domaine médical.
En effet, l'imprimante 3D ne cesse de se développer dans ce domaine. Ainsi, l'impression d'une réplique en titane d'un talon à permis d'éviter l'amputation à un septuagénaire atteint d'un cancer du cartilage.
L'impression a ensuite eu lieu dans un centre de recherche. Il fallait alors reconstituer de manière minutieuse les proportions du calcaneus (os du talon), mais également inclure une zone lisse afin de permettre l'articulation entre la réplique en titane et les autres os, ainsi qu'une zone poreuse pour la fixation des tissus.
Photographie de la réplique en tiane du talon de Len Chandler
La première étape menée par les scientifiques fut la photographie des os du pieds sain du patient. Ils ont ensuite recréé une image 3D.
Photographie de la réplique d'un vertèbre.
IV)
L'impression 3D dans la fabrication de bâtiments
De nos jours, on cherche à construire plus vite et moins cher, ce qui constitue souvent un problème pour les constructeurs. La solution à ce problème réside peut-être dans l'impression 3D. Ce procédé est encore au stade de concept. Cependant certains constructeurs cherchent d'ores et déjà à imprimer les premières maisons.
2) L'exemple d'une entreprise chinoise
En mai 2014, la société WinSun Decoration Design Engineering Co. a réussi à construire 10 maisons de 200 m² en 24 heures à Shangai. Le principe est très simple : une imprimante 3D aux dimensions hors normes superpose plusieurs couches d'un béton écologique constitué de ciment et de fibre de verre.
Du fait du développement de imprimante 3D dans le domaine de la construction, les entreprises prévoient ainsi d'ouvrir des centaines d'usines de recyclage afin de transformer des déchets en matériaux d'impression.
1) Fonctionnement
Pour imprimer une maison, il faut commencer par niveler la zone de construction. On creuse ensuite des fossés autour du périmètre puis on les remplit d'un béton renforcé à l'aide d'une fibre composite de ciment afin de créer les fondations. L'imprimante 3D montée sur une grue est composée d'un bras articulé muni d'une pince ainsi que d'un extrudeur.
Des rails sont ensuite installés sous celle-ci pour que l'imprimante 3D puisse se déplacer horizontalement et verticalement. Le système de rail est relié à un ordinateur qui coordonne les mouvements du bras robotique. La tête d'impression dépose le béton couche par couche pendant que le bras robotique pose le toit.
Impression d'un objet à partir du logiciel CAO
Structure fabriquée à l'aide d'une imprimante 3D
Photographie de maisons imprimées à Shangai
3) L'impression 3D au service des astronautes
Vidéo explicative
La NASA a été séduite par l'idée de loger ses astronautes dans des bâtiments construits sur place lors de missions. En effet, l'agence spatiale américaine prévoit dans les 10 prochaines années d'organiser des vols habités sur la Lune, voir Mars. La solution de l'impression 3D pourrait considérablement faciliter la taches aux astronautes. En effet l' imprimante 3D se servirait des matériaux se trouvant sur place (régolite, basalte) pour fabriquer une station. Ce projet permettrait aux astronautes de rester plus longtemps sur la planète. De plus, il est économique, pratique, et automatisé.
Ce matériau ayant un faible coût, le budget investi dans chaque maison est de l'ordre de 3500€.
V) Conclusion : une machine qui pourrait subvenir aux besoins de l'Homme
En somme, l'imprimante 3D pourrait être utile dans divers domaines en apportant des bienfaits tant médicaux que sociaux. Cependant, la mécanisation et l'automatisation de ces domaines placeraient forcément l'Homme au second plan, et pousseraient ainsi la Machine au devant de la scène.
Dans le domaine de la nourriture, l'imprimante 3D permettrait d'élaborer des plats originaux. De plus, ses capsules se conservent longtemps, ce qui aiderait à éradiquer le gaspillage.
Dans le domaine médical, l'imprimante 3D servirait à fabriquer des tissus vivants afin de pouvoir les greffer à un patient suite à un accident grave.
Dans le domaine de la construction, l'imprimante 3D constituerait un atout pour pouvoir fabriquer des habitations rapidement et à moindre coût. Ces dernières pourraient servir à loger une partie de la population sans domicile fixe.
L'impression 3D est un nouveau concept qui permet d'ores et déjà d'améliorer le quotidien de l'Homme. Cependant, même si certains modèles sont accessibles au grand public et qu'elle est une technologie prometteuse, elle reste tout de même inachevée et peut faire preuve de nombres améliorations dans les années à venir.
La NASA s'est intéressée au projet et envisage de nourrir les astronautes de cette manière dans l'espace. Les vivres occuperaient moins de place, car ils seraient stockés sous forme de capsules.
Mais à long terme, elle pourrait contribuer à la suppression d'emploi dans des restaurants, des boulangeries ou encore des pâtisseries etc...
Une pizza créée à l'aide d'une Imprimante 3D
De plus, l'impression d'organes comblerait le manque de dons par rapport aux demandes d'organes toujours croissantes en France. Le risque de rejet est nul, car les cellules sont prélevées sur le corps du patient. Mais nous ne sommes pas encore au stade de l'impression d'organes.
Une oreille créée à l'aide d'une Imprimante 3D
Effectivement, un organe possède un réseau sanguin bien trop complexe pour pouvoir être imprimé et les chercheurs n'ont pas encore les technologies nécessaires pour arriver à un tel résultat. La bio-impression est donc limitée à imprimer des répliques d'organes ou d'os pour pouvoir les transplanter chez le patient.
De plus, la NASA s'est à nouveau intéressée au projet et prévoit de loger des astronautes sur la Lune pour de prochaines missions, qui dureraient donc plus longtemps. Mais la mise en place de l'imprimante 3D à long terme dans le domaine de la construction signifierait le chômage pour des milliers d'ouvriers, de maçons ainsi que de nombreux autres métiers qui se rapportent au chantier et à la construction.
Fabrication d'une maison avec une imprimante 3D
Construction
Médecine
Aliments
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