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Synthèses rédigées par les étudiants du cours de Culture numérique

Principe SLS
Principe SLS

Imprimante 3D : description et enjeux

Damien Neuville, Jonathan Olier, Rudy Rivat (M2Mds)
Cette synthèse s'intéresse à une innovation importante : Les imprimantes 3D. Cette nouvelle technologie encore peu rependue est promise à un développement important dans l'avenir. Nous avons alors souhaité expliquer le fonctionnement, l'utilisation et l'impact que son arrivé pourra avoir sur la société.
(déposé le 2014-12-03 18:05:59)

Imprimante 3D :

Description et Enjeux

Introduction

Toutes les grandes inventions et découvertes ont changé la face du monde, l’on fait évoluer, avancer. Pour certains, l’impression 3D pourrait bel et bien apporter des changements radicaux dans le monde que nous connaissons et ouvrir de nouvelles perspectives. Cette technologie permet à chacun de pouvoir, chez soi, imprimer un objet dont il a besoin, envie. A l’heure actuelle, les consommateurs sont très friands d’objets personnalisés, uniques, qu’ils sont les seuls à posséder. Avec la possibilité de créer soit même les objets que l’on désire,  l’impression 3D est une technologie pouvant aisément répondre à cette attente des consommateurs.

L’impression 3D est actuellement en plein développement. L’accès à cette technologie est de plus en plus accessible à tout un chacun, et tout laisse à penser que cela va se poursuivre dans un futur proche.

Pour vous aider à appréhender cette technologie, nous allons vous présentez ci-dessous ce qu’est l’impression 3D, son histoire, son fonctionnement et comment elle est utilisée. Nous verrons ensuite les différents domaines pouvant utiliser l’impression 3D, en se focalisant sur le domaine de la santé et sur le sport. Enfin nous finirons en vous présentant les enjeux et les perspectives qu’apporte l’impression 3D.

Présentation de l’imprimante

Full Printed
Full Printed (Vidéo)

Vidéo

Animation expliquant l'impression 3D
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Histoire de l’impression 3D

La première « impression 3D » remonte à 1983 lorsque Chuck Hull invente et brevète ce qui semble être la première imprimante 3D. A cette époque, on emploie le terme de «stereolithography». A cette époque, les machines émettent des rayons UV sur un liquide qui durcie au contact de ceux-ci. Une fois la première couche solidifiée, on appose une nouvelle fois de liquide et on répète l’opération jusqu’à obtenir l’objet définitif, par superposition des différentes couches. Bien que le fonctionnement soit un peu diffèrent de nos jours, le principe est le même : une superposition de fines couches de matériaux.

Chuck Hull presente la premiere imprimante 3D
Chuck Hull presente la premiere imprimante 3D (Vidéo)

Vidéo

Dans une vidéo datant de 1983, Chuck Hull, l'inventeur de la Stereolithography présente le procédé de fabrication.
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Quelques années plus tard, il crée une entreprise : 3D Systems. La création de cette dernière mènera à l’apparition de la première imprimante 3D de série. C’est aussi au sein de cette entreprise que Chuck Hull et ses collaborateurs vont créer le langage STL (Standard Tessellation Language) qui sera dès lors la référence pour les fichiers d’impression 3D.

L’impression 3D va alors connaitre un long développement et ce n’est qu’à partir de 1996  que l’on va commencer à employer le terme d’imprimante 3D, avec le lancement de 3 d’entre elles sur le marché. Ces modèles se perfectionneront jusqu’en 2006, mais resteront cantonnés à l’usage industriel.

Le monde de l’impression 3D est marqué par deux tournants :

- 2007 : l’entreprise Shapeways, met au point un service en ligne d’impression 3D ouvert aux particuliers

- 2009 : création de l’entreprise MakerBot Industries fondé par Bre Pettis, Adam Mayer, et Zach "Hoeken" Smith. Dès lors, chacun peut posséder chez soi une imprimante 3D fonctionnel pour un coût tout à fait raisonnable.

A partir de là, le monde va de plus en plus s’intéresser à cette technologie et découvrir son potentiel. Entre 2011 et 2012, environ 60 000 imprimantes 3D sont vendues dans le monde. Nous ne sommes alors qu’au début de la commercialisation mais grâce aux médias qui se sont emparés du phénomène, cette technologie est de plus en plus connue et attire l’intérêt des particuliers et des professionnels.

Ces dernières années, les procédés d’impression se sont améliorés, les matériaux disponibles se sont multipliés, et le prix des machines a chuté. Désormais on peut trouver une machine pour 500€ qui offre un bon rapport qualité/prix.

    Un autre facteur déterminant permettant l’expansion de cette industrie est la présence des fichiers d’impression en Open Source. Comme lors de la création d’internet, n’importe quel utilisateur peut dès lors apporter sa contribution dans la création de fichiers à imprimer.

Selon le cabinet d’études Gartner, l’impression 3D est tout en haut de la courbe tendance en matière de développement.

L’impression 3D en haut de la courbe des tendances (Source : Gartner)

L’impression 3D en haut de la courbe des tendances (Source : Gartner)

Courbes des tendances technologique
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Dans une autre étude, publiée en octobre 2014, ils prédisent une augmentation de 98% des livraisons mondiales d’imprimantes 3D d’ici 2015. D’ici 2017, près de 20 % des e-commerçants vont utiliser l'impression 3D pour créer des offres personnalisées de produits.

Principe de fonctionnement

L’objectif fondamental d’une imprimante 3D est de transformer rapidement une idée en objet réel. Dans un premier temps, il convient de dessiner la forme souhaitée sur un logiciel de CAO (Conception Assistée par ordinateur). De nombreux logiciels sont disponibles sur le marché et permettent de créer ses modèles 3D (certains gratuits et/ou Open Source d’autres sont propriétaires). Les plans sont ensuite transmis à l’imprimante. Le principe est alors l’assemblage des matériaux couche après couche. C’est en fait une successions et superposition d’impression 2D qui réalise un objet en 3D.

Pour cela, deux grands types de procédés sont utilisés : Soit la matière travaillée peut entrer en fusion et en quel cas, elle peut être fondue peu à peu pour obtenir la forme souhaitée. Soit la matière peut être solidifiée sous l’action de la chaleur ou de la lumière (laser).

Il existe aujourd’hui 3 différents procédés d’impression :

- La Stereolithography (SLA) : On concentre un rayon ultraviolet dans une cuve remplie de photopolymère. Quand le rayon frappe la matière, cette dernière se durcît sous son impact tout en se liant aux couches adjacentes.

Principe SLA

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- Le Selective Laser Sintering (SLS) : Proche de la Stéréolithographie. Des matières dures (sous forme de poudre) sont frappées par un laser. Là où le laser frappe, la poudre s’assemble pour créer la forme.

Principe SLS

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- Le Fused Deposition Modeling (FDM) : Celui-ci consiste à porter à la fusion de petites gouttes de matière plastique qui créent la forme couche après couche. Une fois que la goutte quitte l’applicateur, elle durcît de manière quasi-immédiate tout en se fondant avec les couches inférieures.

Principe FDM

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Il existe aujourd’hui deux autres procédés, ayant un principe similaire au procédé SLA :

Le PolyJet : Ce procédé a été breveté en 1999 par la société Objet en 1999, fonctionnant sur le même principe que la SLA. Il permet de coupler deux matériaux : le matériau d’impression et un matériau support, qui se dissout dans l’eau.

Principe Polyjet

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Le DLP : Ce procédé a été développé pour des fabrications nécessitant une grande précision, comme la fabrication de bijoux ou de prothèses par exemple. Ce procédé a un avantage important sur la SLA : sa rapidité. A chaque projection de luière, une couche peut être solidifiée, ce qui rend l’impression plus rapide.

Les logiciels pour imprimantes 3D :

Les logiciels permettant de modéliser des objets dans le but de les imprimer sont nombreux. Beaucoup sont gratuits, mais d’autres peuvent valoir plusieurs milliers d’euros, en fonction de la société qui l’a développé et les possibilités offertes par le logiciel.

Les logiciels de modélisation 3D sont des outils de CAO (Conception Assistée par Ordinateur). Ils vous permettent de modéliser l’objet que vous désirez imprimer. Ces logiciels possèdent chacun une communauté d’utilisateurs capable de faire évoluer ces outils, d’enrichir leur base de données par leurs créations. C’est le principe des logiciels gratuits fonctionnant en open source. Chaque utilisateur partage ses créations et les met à la disposition de la communauté d’utilisateurs. Le logiciel Art of Illusion, programme très utilisé, fonctionne sur ce principe. Il permet également de contrôler le rendu de l’impression, pas uniquement sa simple création.

Certains de ces logiciels sont généralistes voir simplistes, tandis que d’autres sont plus spécialisés. Le logiciel Maya par exemple, développé par la société Autodesk, est utilisé dans le cinéma et la création de jeux vidéo.

Une fois l’objet que l’on souhaite dessiné, ce n’est encore qu’un fichier. Il doit être au format STL afin de pouvoir être créé dans la réalité par l’imprimante.

Pour ceux qui souhaitent reproduire un objet déjà existant, il existe aujourd’hui des scanners d’objets réels qui permettent de créer un fichier dessin qui servira ensuite à l’impression 3D. Des acteurs du marché comme Creaform par exemple fabriquent déjà des scanners 3D.

Mais les scanners 3D ne sont pas que des appareils physiques. La société Autodesk, qui développe déjà des logiciels pour imprimantes 3D, proposent désormais une application pour mobiles sous Android permettant de scanner des objets existants dans le but de les imprimer (http://www.monunivers3d.com/3753/). D’autres acteurs du numérique, comme Apple ou Intel, souhaite également équiper leurs produits afin de permettre le scan d’objets pour l’impression 3D.

Scanner d'objet 3D

Scanner d'objet 3D

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Les matières premières pour les imprimantes 3D :

Pour créer des objets, les imprimantes 3D ont besoin de matériaux. Les matériaux plastiques, sous forme de poudre, de résine rendue liquide ou encore de cire, sont majoritairement utilisés dans l’impression 3D. Mais les matériaux généralement utilisées sont les bobines de filament, qui sont en général de 2 sortes :

- L’ABS (Acrylonitrile butadienestyrene ou Acrylonitrile butadiène styrène) est un polymère thermoplastique. On retrouve ce matériau dans les appareils électroménagers ou encore les Légo. Plus résistant que son concurrent à la chaleur, il se plie facilement et ne rompt pas. Le nettoyage de l’imprimante se fait également facilement. Toutefois, le taux d’échec lors de l’impression est important, en raison d’une mauvaise résistance aux chocs de température.

- Le PLA (Polylactic acid ou acide polyactique) est un matériau biodégradable issu de matériaux recyclés. Il peut également être obtenu à partir d’amidon de maïs. C’est donc un matériau écologique, souvent utilisé dans les emballage alimentaire. L’utilisation de ce matériau nécessite un entretien de l’imprimante 3D assez important. Ce matériau est également sensible à l’humidité et peut casser assez facilement en cas de choc. En revanche,  le taux d’échec lors de l’impression est plus faible que celui de l’ABS.

Il n’y a pas que le plastique qui peut être utilisé dans l’impression 3D. Pour la médecine ou l’industrie high tech, il est possible de travailler avec certains aciers, alliages ou le titane. On peut dans d’autres domaines utiliser des matières comme le ciment, le plâtre, la céramique… Tout cela est possible, il faut simplement avoir la machine adaptée au type de matériau utilisé. En fonction des domaines d’application de cette technologie, d’autres matériau très particuliers pourront être utilisés. Les possibilités sont nombreuses.

Imprimantes grand public :

            Avec le développement de l’impression 3D, les fabricants d’imprimantes se lancent sur ce marché, qui devrait connaitre une croissance exponentielle ces prochaines années. Il existe des machines pour les professionnels, et désormais les fabricants se lancent dans la fabrication de machines domestiques, pour les particuliers. Même si ces machines se démocratisent et que les prix commencent à diminuer, cette technologie reste encore très chère pour les particuliers.

Il existe aujourd’hui des imprimantes à tous les prix. Les moins onéreuses vous en couteront environ 400€, jusqu’à environ 4000€, soit 10 fois plus ! Mais pourquoi un tel écart de prix ?

Cette différence est d’abord due aux possibilités offertes par les différentes machines  présentes sur le marché. En effet, les imprimantes 1er prix vous offriront des possibilités limitées, que ce soit au niveau de la taille des objets que vous pourrez fabriquer que sur les matériaux pouvant être utilisés pour l’impression. Avec ces machines à bas cout, les objets que vous pourrez imprimer seront de dimension modeste et uniquement en plastique. Pour des machines plus performantes à et accessibles à tous, il faut débourser entre 500 et 2000€.  

Le problème des machines grand public est que les matériaux utilisés sont essentiellement du plastique, ce qui n’est pas forcément adapté aux besoins de tous les individus. De plus, leur utilisation n’est pas toujours très simple, même s’il y a des progrès de ce côté-là, notamment chez des fabricants comme MakerBot ou Ultimaker par exemple.

Mais il n’y a pas que l’imprimant que vous devez acheter, il y a également les cartouches de matière première, sur le même principe que les cartouches d’encre pour les imprimantes classiques. Ces cartouches coutent environ 35€, ce prix étant à multiplier par le nombre de couleurs que vous désirez.

Pour accéder à l’impression 3D, il n’est pas forcément nécessaire d’acheter sa propre imprimante. Pour des besoins ponctuels, vous pouvez faire appel à des professionnels, notamment par des plateformes en ligne, qui vous livreront en 1 à 3 semaines l’objet dont vous leur aurez transmis le dessin.

Les Fab Labs sont une autre solution. Ce sont des lieux de partage dans lesquels se trouvent des «machines dédiées à la fabrication numérique». Les Fab Labs sont aussi des lieux de rencontre avec des experts, en design par exemple, qui pourront vous conseiller, vous aider dans la fabrication de vos objets. C’est un espace qui peut vous aider à apprendre avant de peut être, par la suite, investir dans votre propre machine. Il existe à l’heure une vingtaine de Fab Labs sur le territoire français.

L’achat d’une imprimante 3D n’est donc pas la seule solution pour les particuliers souhaitant imprimer des objets. Toutefois, les imprimantes se développent, se démocratisent et les prix ont tendance à diminuer. Le marché grand public devrait donc continuer à grossir dans les prochaines années. Nul doute que les fabricants d’imprimantes « classiques » tel Canon, Epson, HP… se lanceront d’ici peu sur ce marché d’avenir.

Retrouvez ici un annuaire des différents fabricants d’imprimantes 3D : http://www.monunivers3d.com/annuaire/

La RepRap quant à elle est une imprimante 3D un peu différente des autres, puisqu’elle peut se répliquer elle-même ! En effet, en suivant le mode d’emploi sur le site internet reprap.org, vous pouvez imprimer vous-même les différentes pièces et circuits électriques de la machine, avant d’assembler le tout pour recréer votre imprimante. Seuls quelques éléments (prises USB, câbles…) devront être achetés à part.

Fonctionnement RepRap
Fonctionnement RepRap (Vidéo)

Vidéo

Vidéo explicative sur le fonctionnement de l'imprimante Reprap
Adrian Bowyer
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Domaine d’application

Général

Le marché de l’imprimante 3D peut s’appliquer à tous les domaines de la création.

Secteur Industriel / Applications futures et émergentes de l’impression 3D

Automobile et industrie manufacturière

  • Consolider plusieurs composants au sein d’une seule et même pièce complexe
  • Créer de l’outillage de production
  • Produire des pièces de rechange et des composants
  • Accélérer le cycle de développement produit grâce au prototypage rapide, et aux tests de forme et d’ajustement

Aérospatiale

  • Créer des pièces à géométrie complexe non réalisables avec les méthodes traditionnelles
  • Contrôler la densité, la rigidité et la propriété des matériaux de certaines pièces; mais aussi appliquer ces propriétés sur l’ensemble d’une pièce
  • Créer des pièces plus légères

Pharma/Santé

  • Planifier des chirurgies grâce à des modèles anatomiques précis réalisés à partir de scanners ou IRM
  • Développer des implants ou prothèses orthopédiques sur-mesure
  • Utiliser des cadavres imprimés en 3D pour la formation médicale
  • Bio-imprimer des tissues vivants pour le test de médicaments et

Distribution

  • Créer des jouets, bijoux, jeux, décorations et autres produits personnalisés
  • Imprimer des pièces de rechange ou de remplacements pour l’automobile, pour la maison par exemple

Sports

  • Créer des formes et des géométries complexes non réalisables avec les méthodes traditionnelles
  • Créer de l’équipement de protection sur-mesure pour plus de sureté
  • Créer des crampons customisés pour les chaussures de football basés sur les données bioméchaniques
  • Créer des prototypes multi-couleurs et multi-matériaux pour les tests produits

Source : http://www.pwc.com/en_US/us/technology-forecast/2014/issue2/features/future-3d-printing.jhtml

Focus sur :

Santé

Dans le domaine de la santé, les applications sont multiples. Contrairement à de nombreux secteurs, les objets produits ont une incidence directe sur la vie des patients.

Les imprimantes ne sont pas uniquement utilisées pour le prototypage, on souhaite créer des pièces pour remplacer des os ou des tissus humains.

Bien que la pratique ne soit pas encore généralisée, les premiers résultats de l’utilisation des impressions 3D sont prometteurs.

Dans ce cadre on peut distinguer 2 types de processus différents :

- L’impression de remplacement

- L’impression de modélisation

Impression de remplacement :

Les imprimantes servent ici à créer des pièces qui vont prendre la place directement dans le corps du patient d’un os ou d’un tissu qui a subi un dégât ou qui n’est plus fonctionnel.

On voit déjà de nombreux cas pour lesquels ce procédé a permis à une personne de retrouver ces facultés ou alors de ne pas perdre un membre.

En Australie, un homme de 71 ans a évité l’amputation de sa jambe grâce à un implant imprimé en 3D. Diagnostiqué d’un cancer du cartilage en avril dernier, il subissait peu à peu la maladie au point de perdre l’usage de son talon. Le professeur en en charge du service orthopédique de l’Hôpital de Melbourne a décidé de recourir à l’impression 3D pour remplacer l’os manquant et ainsi lui éviter une amputation probable. Le modèle 3D de l’os endommagé fut reconstruit par symétrie et envoyé pour impression 3D à partir d’une imprimante métal. Les chirurgiens se sont appliqués à retirer la tumeur et implanter le modèle imprimé sur le patient. En plus de correspondre exactement aux mesures du patient, l’implant devait inclure une partie lisse pour coïncider avec les autres os, les tendons et les muscles mais également une partie poreuse pour permettre aux tissus de se fixer. Des conditions entièrement remplies par l’implant imprimé en titane.

Processus de remplacement

Processus de remplacement

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Cependant bien que ce principe permette une avancée considérable dans le traitement des maladies osseuses, il reste très cher, les médecins ont encore des réticences sur la généralisation de l’utilisation des impressions 3D.

Le Professeur Joël Brie, médecin au service de chirurgie maxillo-faciale du CHU de Limoges, et qui a développé avec l'entreprise 3D Céram une prothèse crânienne en céramique par impression 3D émet des réserves : "Le problème du sur-mesure, c'est que c'est extrêmement coûteux. Cela vient du fait que comme chaque modèle est unique, il faut refaire sans cesse les contrôles de qualité, alors que dans le cas de prothèses produites en série, on peut faire ces contrôles toutes les cent ou mille pièces. Les prothèses que mon service propose, obtenues par impression 3D, coûtent en moyenne 15 000 euros. Sans le soutien économique de la région et du CHU, elles resteraient dans un tiroir", explique-t-il.[1]

Pour le moment, les impressions de remplacement sont surtout limitées à la création de prothèse ou de matériaux similaires à l’os. Grace à cela, on obtient des « pièces » personnalisé pour le patient.

Cependant on pourrait aussi aller plus loin. Les chercheurs se concentrent désormais sur l’impression de tissu humain. Les imprimantes adaptées pourraient permettre de développer des cultures de cellules souches, et pourquoi pas dans le futur des organes. Mais on en est encore loin, tout cela en est au stade de la recherche.

Organovo, créée en 2008, a inventé une imprimante qui fonctionne avec de «l’encre» composée de matériel biologique, tel que des cellules. «Nous avons notamment pu produire des morceaux de tissu de foie, du muscle cardiaque et des artères, détaille Eric David, l’un des fondateurs d’Organovo. Nos clients sont des laboratoires de recherche ou des entreprises pharmaceutiques qui souhaitent tester l’efficacité ou la toxicité de nouveaux médicaments. Ces modèles reproduisent en effet parfaitement l’architecture des tissus humains, tels qu’on les trouve dans le corps, contrairement aux cultures de cellule en 2D utilisées normalement.»

Une équipe de scientifiques de la Wake Forest School of Medecine a testé, en collaboration avec l'armée, une méthode d'impression 3D biologique utilisant différents types de cellules comme "encre" pour recréer les différentes couches de la peau. La blessure est d'abord analysée, puis l'imprimante 3D créée des portions de peau de taille et de profondeur appropriées pour une guérison optimale. La zone de peau à prélever pour pouvoir cultiver assez de cellules pour utiliser cette technique n'est que d'un dixième de la taille de la plaie.

A terme, Organovo espère pouvoir imprimer un organe entier, comme un foie ou un rein, et l’implanter dans un patient. «Cela serait extrêmement précieux, au vu du manque de donateurs», estime Eric David. Il serait fabriqué à partir des cellules du patient qui va le recevoir. «On éviterait ainsi qu’il ne soit rejeté», précise-t-il. En avril, la firme a annoncé qu’elle avait réussi à produire un morceau de foie. Il est doté d’un réseau micro-vasculaire et est capable de répliquer une bonne partie des fonctions de cet organe, comme la synthèse du cholestérol. Si les recherches se poursuivent de manière convaincante, il faudra néanmoins attendre plusieurs années pour obtenir un organe 100% fonctionnel.

Lee Ann Laurent-Applegate, qui dirige l’Unité de thérapie régénérative du service de chirurgie plastique et reconstructive du CHUV, rappelle toutefois que l’impression en 3D de tissus vivants reste une technique expérimentale. «Si les cellules ne sont pas vascularisées, leur durée de vie ne dépasse pas quinze heures, souligne-t-elle. C’est le temps qu’il faut pour produire un morceau de peau de 9 cm sur 12 avec une imprimante 3D.» Pour un grand brûlé, recourir à cette méthode serait un luxe: «Il faudrait patienter quatre à cinq semaines pour avoir assez de peau pour une seule jambe.»

[1] http://www.lepoint.fr/sante/chine-un-enfant-se-fait-greffer-une-vertebre-concue-par-impression-3d-28-08-2014-1857292_40.php

Impression de modélisation

Dans ce cas, l’utilisation des imprimantes 3D correspond plus à du prototypage. 

Dans les hôpitaux de la chaîne Metrohealth, dans l’Ohio, l’impression 3D est mise à profit pour améliorer la sécurité des patients. La division de chirurgie reconstructive maxillo-faciale s’en sert pour produire un modèle en matière synthétique du visage des personnes qui doivent subir une opération. Cela permet aux chirurgiens de s’exercer en amont de l’intervention, de déterminer l’option la moins invasive et de prévoir à l’avance quels types d’implants osseux leur seront nécessaires. «Le patient passe ainsi moins de temps sous anesthésie», note Tim Caffrey.

La méthode a été utilisée pour la première fois en 2002, avant une opération délicate destinée à séparer deux jumelles guatémaltèques reliées par le crâne. L’intervention a duré 22 heures «au lieu des 97 heures normalement requises par ce genre de procédure», selon Eitan Priluck, fondateur de Biomedical Modeling, la firme de Boston qui a fourni le modèle des crânes des deux fillettes.

Les médecins utilises cette technique pour créer à l’identique l’organe humain sur lequel ils doivent intervenir, cela leur permet d’avoir une vision du travail qu’ils ont à faire sans avoir à ouvrir le patient, ensuite ils peuvent « s’entrainer » dessus pour leur permettre d’avoir les gestes parfait lors de la véritable intervention.

Une telle action permet un gain de temps et de précision important, grâce à cela on peut permettre de diminuer les risques lors des interventions.

En 2014, un bébé de 14 mois, né avec quatre malformations congénitales du cœur. Le seul moyen de le sauver était une intervention délicate, les médecins se retrouvaient face à un problème, sur les scanners disponibles, la visibilité était compliquée, l'opération s'annonçait difficile avec trop d'éléments inconnus. Le chef radiologue de l'hôpital a alors eu l'idée de solliciter l'université de Louisville qui possède un centre de prototypage utilisant les imprimantes 3D. Pour un prix de revient de 600 dollars, à partir d'un simple scanner, l'équipe de l'université de Louisville a fourni à l'hôpital en 20 heures seulement une réplique du cœur de l'enfant. Dans une texture proche de celle d'un cœur humain, le modèle a été grossi une fois et demie et découpé en trois parties, permettant de visualiser précisément l'intérieur du cœur de l'enfant. Grâce à ce modèle, le chirurgien cardiologue a pu élaborer un plan chirurgical et réparer le cœur avec succès en une seule opération !

Pour le chirurgien, ce modèle a transformé sa façon de préparer une telle intervention. "Dès que j'ai eu le modèle, j'ai su exactement ce que je devais faire et comment, grâce à la reproduction de son cœur en 3D, une seule opération a suffi pour le petit garçon et la durée d'intervention a pu être réduite" explique le chirurgien au Courrier Journal.

Coeur 3D

Coeur 3D

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Reportage impression coeur 3D
Reportage impression coeur 3D (Vidéo)

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Sport

Pour le moment, nous ne sommes qu’au début de l’utilisation des imprimantes 3D dans le monde sportif. Alors que l’on peut imaginer plusieurs formes et intérêt dans différente discipline.

La technique la plus rependu pour le moment c’est dans la conception des chaussures de sport.

Les marques sont depuis quelques années dans une course à l’innovation. Nike a toujours été un des plus actif et ambitieux dans ce domaine. Il a donc profité de l’arrivée de l’impression pour essayer de s’approprié cette nouvelle technologie.

Ils se sont surtout concentrés pour le moment sur le Football Américain avec une problématique précise.

Pourquoi l’impression 3D a-t-elle été importante pour le développement de cette chaussure ? Pour courir plus vite, les athlètes doivent pouvoir avoir un départ sans glissade, même infime. Pour se faire, la chaussure doit parfaitement adhérer même sur l’appui de départ. C’est donc sur ce point que les ingénieurs Nike ont concentré leurs efforts afin d’offrir une meilleure adhérence de la chaussure. Il leur a fallu travailler de manière itérative sur la forme et la répartition des crampons, qui eux seuls garantissent cette accroche souhaitée.

Méthode de fabrication

Pour réduire le glissement lors de l’accélération et une meilleure propulsion, un crampon moulé composé de 12 pointes disposées en étoile sur le bout de la chaussure a été développé, et une plaque en forme de V sur le talon afin de faciliter les déplacements multidirectionnels.

Ils ont alors utilisé une poudre de nylon comme matière première. La technique employée a été la SLS. Une méthode de fabrication beaucoup plus rapide que les techniques classiques. Shane Kohatsu responsable de l’innovation chez Nike déclarait à ce sujet : « Avec une fabrication traditionnelle, faire quelque chose comme ça aurait pris en temps normal 2 ou 3 ans. Nous l’avons fait en six mois.  »

Ainsi l’impression 3D devrait permettre de voir des athlètes courir plus vite sur les terrains.

Fabrication de crampons

Fabrication de crampons

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Au-delà de permettre un gain de temps dans la production, l’impression 3D permet aussi aux Marque de pouvoir proposer du matériel personnalisé directement pour chaque athlète suivant ses caractéristiques : Avec des chaussures faite sur mesure par exemple.

Mais aussi de créer des pièces amenant un gain de poids pour l’objet :

Avec l’exemple d’un vélo fabriqué en impression 3D

L’impression 3D était déjà présente depuis un moment dans le monde cycliste, mais il s’agissait d’impressions de prototypes de selles profilées ou d’autres accessoires.

Aujourd’hui des entreprises se sont mises à développer le premier cadre de vélo imprimé grâce aux technologies d’impression 3D. Il s’agit du cadre d’un vélo de montagne, qui nécessite donc une réelle résistance aux vibrations et aux chocs. L’impression est faite en titane, ce qui permet au cadre d’être très léger et d’offrir le niveau de résistance souhaité.

Cependant, le cadre ne sort pas de l’imprimante prêt à l’emploi. Ce sont des pièces constitutives du cadre qui sont imprimées puis assemblées. L’impression 3D du cadre leur permet d’optimiser la forme de leur cadre afin de proposer des vélos léger, nécessitant moins de matériau, pour une solidité du produit fini supérieure. En effet, le cadre imprimé est environ 30% plus léger que les cadres habituels équivalents.

Cadre de Velo

Cadre de Velo

Impression d'un cadre de vélo à assembler
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Le sport automobile est aussi concerné par l’impression 3D.

Toujours à la recherche des meilleures performances pour un poids limité et une forte résistance, les experts automobiles seront intéressés par cette innovation. L’impression 3D pourraient alors être utilisée à des fins d’aérodynamisme par exemple avec des formes inédites de carrosseries et d’ailerons impossibles à créer avec les moyens existants.

Mais aussi dans le prototypage de pièce pour les voitures :

Pour réaliser des prototypes de matériel sportif, il faut en général associer dans une seule pièce des matériaux rigides et flexibles et parfois même combiner des éléments transparents et opaques. Avec l'impression 3D on peut alors fabriquer une pièce avec plusieurs matériaux en une impression unique automatisée. De plus, la résistance aux chocs et la durabilité des thermoplastiques permet de satisfaire les exigences du prototypage fonctionnel rigoureux.

Enjeux et Perspective

Enjeux

 

Enjeux technique

- Matériaux : pour l’instant les imprimantes 3D se limitent à la fabrication d’objets en plastique (plus facile à modeler), ce sont donc 200 matériaux qui peuvent être utilisé alors qu’il en existe des milliers dans notre monde. En effet, pour pouvoir modéliser par exemple du métal, une température plus importante sera nécessaire par rapport au plastique. Le cuir, le bois ou le textile font partis des matières qu’il est impossible à utiliser pour le moment avec les imprimantes 3D. De même, la création d’objets n’est possible pour l’instant qu’avec l’utilisation d’un seul composé plastique à la fois. Ce qui ne sera plus vrai dans les années à venir où l’on pourra même associer métal et plastique.

- Taille des objets : les imprimantes 3D sont en effet limitées au niveau de la taille des objets qu’ils peuvent produire. Les imprimantes des entreprises étant bien entendue plus grande que celles des particuliers. Pour le grand public, l’imprimante 3D Cube permet une création de 140 x 140 x 140 mm maximum. La 3D CubeX, le modèle supérieur, dispose d’une surface d’impression plus élevée, permettant une création jusqu’à 275 x 265 x 240 mm. La seule solution pour l’heure étant d’imprimer en plusieurs fois et d’assembler le tout ensuite.

- Couleurs : De même pour les couleurs, une seule couleur par tête d’impression est possible, et le choix est possible entre 16 couleurs. Toutefois, il est possible de peindre ces créations.

- Logiciels : Pour l’instant peu intuitifs, les logiciels sont ce qui va permettre à l’impression 3D de se développer dans les années à venir. Ils sont pour l’instant, réservés aux seuls initiés. Ce qui limite donc son utilisation par l’ensemble de la population. En effet, l’utilisation d’un logiciel de CAO n’est pas réservée à tout le monde.

Enjeux sociétaux

- Création d’objets dangereux (armes) : Des plans pour l’impression d’armes sont déjà disponibles et certains ont déjà pu utiliser celles-ci grâce à leur impression en 3D. Se pose donc ici la question de la dangerosité de ce genre de machines pour nos sociétés si cela permet de fabriquer des armes accessibles à tous et échappant à tout contrôle des autorités. De plus, étant fabriquées en plastique celles-ci passe donc inaperçu lors des contrôles aux rayons X.

Construire des fusils d'assaut
Construire des fusils d'assaut (Vidéo)

Vidéo

Reportage d'Itélé sur Cody Wilson qui avait déjà inventé le premier pistolet 3D. Aujourd'hui, il lance "Ghostgunner", un fusil d'assaut à construire soi-même avec une imprimante 3D.
Itélé
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- Particules fines : La fabrication d’objet avec ces imprimantes tridimensionnelles rejettent des particules fines qui peuvent, si elles sont inhalées, causer des inflammations, des problèmes respiratoires et sur le terme, des cancers des voies respiratoires.

- Bouleversement de l’emploi : en ce qui concerne l’emploi, ce mode de production devrait relocaliser la production dans les pays développés. La production dans des pays en voie de développement ne serait donc plus intéressante économiquement parlant. Cela aura donc un effet direct sur l’emploi sur l’ensemble de la planète, avec une tertiarisation de ceux-ci. Les artisans 2.0 auront donc comme tâche de créer des objets tels que les bijoux, les souvenirs destinés aux touristes ou des sculptures. La question de l’emploi est très prise au sérieux par les états dis développés, comme les Etats-Uni, où le président Barack Obama en visite à la NAMII (National Additive Manufacturing Innovation Institute) a déclaré : “Cet institut permettra de s’assurer que les emplois industriels de demain ne soient plus en Chine ou en Inde, mais ici, aux Etats-Unis”. L’investissement dans cet établissement s’élève à hauteur de 85 millions de dollars provenant pour une moitié de l’état américain et pour l’autre moitié d’un consortium d’entreprises, d’universités et d’ONG.

De plus, selon l’Atlantic Council, met en avant le fait que le développement de cette nouvelle façon de fabriquer les objets de notre quotidien permettra une moindre dépendance aux exportations.

- Problématique environnementale : Cette nouvelle industrie aura aussi un impact environnemental. En effet, cette technique de fabrication tend à être beaucoup plus écologique que l’industrie que l’on connait de nos jours.

C’est une économie de plus de 50% par rapport à la fabrication soustractive qui pourrait être effectuée avec la méthode additive utilisée par les imprimantes 3D, avec e plus de cela une moindre utilisation de produits chimiques. La relocalisation des emplois, aura pour conséquence de limiter les trajets entre le producteur et le consommateur. On peut ajouter à cela le recyclage des objets dis obsolètes ou dégradés.

Par conséquent, c’est une empreinte carbone nettement inférieure qui sera utilisé pour chaque objet produit.

Mais toutefois, la fabrication des objets avec ces imprimantes tridimensionnelles rejettent des particules fines qui peuvent, si elles sont inhalées, causer des inflammations, des problèmes respiratoires et sur le terme, des cancers des voies respiratoires.

Perspectives

Face à un processus au développement vertigineux, il est prématuré d’esquisser le moindre scénario macroéconomique.

Mais, selon les prévisions de l’institut Gartner, le marché de l’impression 3D pourrait atteindre 10 milliards de dollars dans 4 ans. D’ici là, les ventes d’imprimantes 3D devraient croître énormément, jusqu’à atteindre le chiffre prévisionnel de 2,3 millions d’imprimantes vendues pour l’année 2018. A plus court terme, il devrait se vendre environ 217 000 imprimantes 3D durant l’année 2015, contre près de 110 000 cette année, ce qui laisse présager une accélération exponentielle des ventes à partir de 2015.

Marché des Imprimantes 3D

Marché des Imprimantes 3D

Projections de croissance du marché au cours des 5 prochaines années

La mondialisation de la technologie qui va continuer notamment dans les pays émergents sera un moyen de développer rapidement des zones qui en ont besoin. On pense évidemment à l’Afrique par exemple, et aux imprimantes 3D capables de se reproduire elles-mêmes, et qui pourraient fabriquer de nombreux objets utiles du quotidien

On peut dans le tableau suivant voir de ce que pourrait être le futur hypothétique des imprimantes 3D.

Utilisations futures des Imprimantes 3D

Utilisations futures des Imprimantes 3D

Perspective d'utilisation de l'impression 3D
Jean-Gilles Cahn
Licence : Tous droits réservés -- Copyright

L’impression 3D permettra surtout une réduction la production de masse, et donc le fait de fabriquer au fur et à mesure selon les besoins.

Conclusion

Jeremy Rifkin aborde le cas des imprimantes 3D dans ses travaux de sur l’économie de l’échange et du partage.

L’impression additive ou plus communément appelé impression 3D ferait partie, selon l’économiste américain Jeremy Rifkin, de ce qu’il appelle la troisième révolution industrielle. Et selon lui, elle serait fondée sur des énergies renouvelables, produites de manière décentralisée et partagée sur des réseaux intelligents formant une sorte d’Internet de l’énergie. Cela entrainerait par conséquent à une transition énergétique.

«Les technologies numériques, l'impression 3D en tête, constituent le facteur détonateur de la Troisième Révolution Industrielle» voilà ce qu'écrivait Jeremy Rifkin dans son livre "The Third Industrial Revolution" sorti en 2011, en rajoutant que « La combinaison de l'Internet aux nouvelles énergies va donner naissance à la prochaine révolution industrielle.»

Les imprimantes 3D ont fait une entrée relativement discrète dans notre paysage industriel. Si toutefois nous prenons le temps de réfléchir à leurs implications probables sur notre appareil de production, ces dernières paraissent considérables.

L’ouvrage de RIFKIN met donc en avant une nouvelle manière de produire qui pourrait radicalement changer notre société.

Toutefois certains rétorques son travail, à l’image de Laurent MINGUET, homme d’affaires belge tout en pointant du doigt le manque de connaissance de l’économiste américain, dans la production d’énergie et donc de la non faisabilité des idées mises en avant dans son livre. En plus de cela, cette nouvelle méthode de production serait possible à un cout très élevé. Au final, ces idées ne seraient réalisables qu’en situation de décroissance.

Jean GADREY, lui aussi remet en cause le travail de RIFKIN, en pointant le fait que son étude bien que séduisante ne se concentre que sur la technologie et n’intègre pas dans sa réflexion les problématiques d’inégalités et de pouvoir.

Ce qu’il lui est reproché aussi est que sa troisième révolution industrielle soit au final hyperproductiviste, hyperconsumériste et hypermatérialiste. En fin de compte, la transition énergétique tant espérée par RIFKIN, s’appuie de manière abondante sur ce qui existe déjà et ne propose pas de rupture totale.

Reste donc à savoir maintenant si le fantasme de RIFKIN via les imprimantes 3D, sera bien viable et saura changer notre façon de produire et de consommer, changeant ainsi ce qui a fondé la société dans laquelle on vit actuellement.

Bibliographie / Webographie :

http://www.theguardian.com/business/2014/jun/22/chuck-hull-father-3d-printing-shaped-technology

http://www.monunivers3d.com/guide/

http://www.monunivers3d.com/guide/consequence/

http://www.3dnatives.com/deux-tiers-industriels-impression-3d/

http://www.3dnatives.com/prodways-cea-impression-3d/

http://www.3dnatives.com/amputation-evitee-impression-3d/

http://changeonsdepoque.over-blog.org/article-domaines-d-applications-impression-et-imprimantes-3d-119574079.html

http://www.silicon.fr/marche-impression-3d-gartner-96183.html

http://www.industrie-techno.com/missiles-nourriture-peau-tout-ce-que-l-armee-americaine-compte-imprimer-en-3d.31602

http://www.pwc.com/us/en/technology-forecast/2014/issue2/features/future-3d-printing.jhtml

http://www.canalys.com/newsroom/3d-printing-market-grow-us162-billion-2018

http://www.wakehealth.edu/Research/WFIRM/Research/Military-Applications/Printing-Skin-Cells-On-Burn-Wounds.htm

http://www.priximprimante3d.com/sport/

http://www.zesmallfactory.com/news/333-un-velo-fabrique-en-impression-3d/

 
 

Notes de lecture

Notes du CREOGN : L'imprimante 3D

The Economist Special report : manufacturing and innovation