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Print parts on a delta 3D printer in industrial lab

Le procédé de fabrication additive (impression 3D) est-il en voie de bouleverser les procédés traditionnels?

Par Annie Rochette, directrice générale, COALIA

Au Québec comme ailleurs, le secteur manufacturier est confronté à des enjeux de production et de productivité de plus en plus complexes. L’industrie du plastique n’y échappe pas. Cette industrie qui compte plus de 400 entreprises au Québec (majoritairement des PME de moins de 50  employés) a recours à la R et D pour demeurer concurrentielle. De plus, la pénurie de main-d’œuvre pousse les entreprises à se tourner vers les technologies numériques afin de demeurer efficaces. 

Dans ce contexte, alors que les exigences et les performances des produits deviennent de plus en plus spécifiques et les pièces fabriquées de plus en plus complexes, l’impression 3D de pièces en plastique apparaît comme un mode de production prometteur. En effet, ce mode de fabrication additive (FA), qui permet la fabrication sur mesure d’unités ou de petites séries de pièces, présente des avantages indéniables par rapport aux modes traditionnels de fabrication. À partir d’un modèle numérique, la programmation de l’ajout de matière en des points précis de la pièce permet d’obtenir directement la forme imprimée désirée. La FA permet une économie importante de matières premières et d’énergie ainsi qu’une réduction des rebuts de production, notamment. Par conséquent, ce procédé permet aussi une réduction de l’empreinte environnementale. 

De plus, la FA ne nécessite aucune fabrication préalable de moules comme c’est le cas pour le procédé de moulage par injection. A fortiori, la FA peut être utilisée pour fabriquer, en peu de temps et à peu de frais, des moules prototypes, ainsi que des parties utilisées comme insertions dans des moules métalliques destinés à l’injection, par exemple. Ainsi, les processus de fabrication sont simplifiés et les temps de production réduits, grâce à l’élimination de plusieurs étapes en amont ou en aval de la production. Ces avantages contribuent à l’engouement industriel pour la FA. D’ailleurs, de nombreuses entreprises s’impliquent et innovent dans le domaine, ce qui se traduit par une évolution rapide des technologies de FA.

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Le Cégep de Thetford et COALIA partagent depuis quelques années un des laboratoires de fabrication additive de polymères les mieux équipés de l’est du Canada. D’ailleurs, COALIA, est un centre collégial de recherche et d’innovation reconnu pour ses expertises dans les secteurs de la technologie minérale et de la plasturgie qui a pour mission de développer des matériaux, des produits et des procédés novateurs en collaboration avec les entreprises, dont la fabrication additive. 

Ce laboratoire comprend plusieurs imprimantes de type FDM, c’est-à-dire de fabrication additive par dépôt de filament fondu. Or, parmi les diverses technologies d’impression 3D de polymères thermoplastiques, l’impression FDM est le procédé le plus répandu du fait de sa simplicité, des nombreux matériaux thermoplastiques disponibles sur le marché et de son faible coût d’utilisation. 

À l’instar des autres procédés de FA, qui sont également des procédés de fabrication couche par couche, la technique FDM permet d’obtenir des pièces dont le niveau de complexité est élevé, parfois même inaccessible par les procédés de fabrication traditionnels, comme le moulage par injection. Il permet d’obtenir rapidement des pièces prototypes ou fonctionnelles, sans assemblage, tout en évitant les étapes de conception et de production d’outillage coûteux. 

La technologie FDM présente toutefois plusieurs lacunes qui nuisent à son utilisation dans les secteurs hautement technologiques comme celui de l’aéronautique. La faiblesse de l’adhésion intercouches est une de ces caractéristiques. Ce manque d’adhésion limite la cohésion du matériau imprimé et se traduit par des pièces dont les propriétés mécaniques, fortement anisotropes, sont plus faibles que celles obtenues par les procédés d’injection ou de compression. Mentionnons également que le retrait et le gauchissement, principales causes du non-respect des requis dimensionnels, sont fréquemment observés, notamment pour des pièces imprimées de grande taille ou pour lesquelles le contrôle des conditions d’impression est inadéquat (p. ex. température de la chambre d’impression). Pour venir résoudre ces limitations, plusieurs stratégies peuvent être déployées:

1 – Stratégie « matériaux » 

  • Choisir des matériaux d’impression dont les propriétés intrinsèques permettent un rehaussement des performances des pièces imprimées; 
  • Modifier et formuler des polymères d’impression pour leur conférer des propriétés rhéologiques et thermiques permettant une amélioration de l’adhésion interfaciale et un contrôle du retrait.

2 – Stratégie « procédé »

  • Utiliser, quand cela est possible, un autre procédé de FA que le FDM, pour lequel le caractère isotrope des propriétés physiques et l’adhésion intercouches sont plus importants (p. ex. la stéréolithographie [SLA] ou le frittage sélectif par laser [SLS]);
  • Adapter le procédé pour contrôler les conditions d’impression (chambre chauffée, par exemple). Il existe aujourd’hui des chambres chauffées à haute température qui accroissent l’adhésion intercouches, même pour les polymères de hautes performances, transformés à haute température, dédiés à l’aéronautique.
  • Appliquer un post-traitement, par exemple, le recuit thermique, pour accroître l’enchevêtrement des macromolécules à l’interface (équivalent au soudage). Il s’agit d’une méthode connue dans le secteur de la plasturgie des polymères semi-cristallins, pour accroître certaines propriétés physiques, comme les propriétés mécaniques.

En seulement quelques années, les avancées technologiques dans le domaine de la FA ont été exceptionnelles : la qualité des pièces et la diversité des matériaux imprimables, ainsi que le nombre et le type d’imprimantes 3D, ont considérablement augmenté. Cela laisse présager, à court terme, une conversion d’une partie de la production traditionnelle de pièces plastique vers des procédés d’impression 3D ainsi que la conversion de la fabrication de pièces métalliques vers le plastique grâce au développement de formulations de polymères à hautes performances adaptés aux contraintes de la fabrication additive. 

Source photos: Adobe Photo Stock

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