L’impression 3D, née dans les années 1980, a connu une accélération brutale avec la multiplication des applications numériques, l’internet haut débit et la démocratisation des machines. D’abord cantonnée au prototypage industriel, l’impression 3D permet aujourd’hui de produire de façon rentable des pièces complexes, personnalisées, en petites séries et dans des délais courts. Production à la demande, stocks numériques, relocalisation : l’impression 3D bouscule les fondements de l’industrie héritée du XXe siècle.
Qu’est-ce que l’impression 3D ?
L’impression 3D, ou fabrication additive, désigne l’ensemble des procédés qui permettent de fabriquer un objet physique couche par couche, par ajout de matière, à partir d’un modèle numérique. C’est l’inverse de l’usinage traditionnel, dit soustractif, qui part d’un bloc brut pour en retirer de la matière par fraisage, tournage ou perçage.
Le processus suit toujours les mêmes étapes :
- la modélisation : l’objet est dessiné dans un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) ou numérisé à l’aide d’un scanner 3D ;
- le tranchage : un logiciel découpe le modèle en centaines ou milliers de fines couches horizontales et calcule le trajet de la machine ;
- l’impression : la machine dépose ou solidifie la matière, strate après strate ;
- la finition : retrait des supports, ponçage, polissage ou traitement thermique selon le matériau.
Les matériaux se sont considérablement diversifiés : plastiques, résines, métaux (titane, aluminium, acier, alliages de cobalt-chrome), céramiques, béton et même, en laboratoire, cellules vivantes.
Histoire de l’impression 3D : un brevet français en 1984
Contrairement à une idée répandue, la première demande de brevet sur la stéréolithographie est française. Le 16 juillet 1984, trois chercheurs, Jean-Claude André, Alain Le Méhauté et Olivier de Witte, la déposent pour le compte de la Cilas, filiale d’Alcatel. Faute de soutien industriel, le brevet n’est pas maintenu et tombe dans le domaine public.
Quelques semaines plus tard, l’Américain Charles « Chuck » Hull dépose à son tour son brevet. Il forge le terme de stéréolithographie, fonde la société 3D Systems en 1986 et met au point le format de fichier STL, toujours utilisé pour échanger les modèles 3D. C’est lui que l’histoire retient comme le père de l’imprimante 3D.
Les grandes étapes qui ont suivi :
- 1989 : Scott Crump dépose le brevet du dépôt de fil fondu (FDM) et fonde Stratasys ; à la même époque apparaît le frittage laser sélectif, un procédé à base de poudre ;
- milieu des années 2000 : à l’université de Bath, en Angleterre, Adrian Bowyer lance RepRap, une imprimante 3D open source capable de fabriquer une partie de ses propres pièces ;
- 2009 : le brevet du FDM expire, ce qui ouvre la voie aux imprimantes de bureau bon marché et à la culture « maker » ;
- années 2010 : la fabrication additive sort du prototypage et produit des pièces finies, notamment dans l’aéronautique et le médical.
Les grandes techniques de fabrication additive
La norme internationale ISO/ASTM 52900, publiée en 2015 et révisée en 2021, a fixé le vocabulaire de la fabrication additive et classe les procédés en sept familles. Les quatre plus répandues sont :
- la stéréolithographie (SLA) : un laser ou une source ultraviolette durcit une résine liquide photosensible, couche après couche ; elle offre une grande finesse de détail ;
- le frittage laser sélectif (SLS) : un laser fusionne une poudre de polyamide ou de métal, la poudre non fondue soutenant la pièce pendant l’impression ;
- le dépôt de fil fondu (FDM ou FFF) : une buse chauffée extrude un filament de plastique fondu ; c’est la technique des imprimantes grand public ;
- la projection de matière : des têtes d’impression déposent de fines gouttelettes de résine aussitôt durcies aux UV, ce qui permet de combiner plusieurs couleurs et matériaux dans une même pièce.
Les trois autres familles sont la projection de liant sur un lit de poudre, le dépôt de matière sous énergie concentrée, utilisé notamment pour réparer des pièces métalliques, et la stratification de feuilles.
Ce que l’impression 3D change pour l’industrie
La généralisation de la fabrication additive pourrait transformer en profondeur la manière de produire :
- une réduction des coûts et des délais : les prototypes sont fabriqués en quelques heures, sans moule d’injection ni outillage spécifique ;
- des stocks numériques et une production à la demande : la pièce n’existe qu’à l’état de fichier jusqu’au moment où elle est commandée ;
- une diminution des déchets : seule la matière nécessaire est utilisée, contrairement à l’usinage soustractif ;
- une liberté de forme inédite : canaux internes, structures alvéolées ou pièces d’un seul tenant, impossibles à obtenir par moulage ;
- une relocalisation des productions au plus près des clients ;
- la remise en cause des usines tayloriennes : l’activité pourrait se réorganiser en micro-usines capables de fabriquer des objets variés en petites séries, tandis que le particulier imprimerait chez lui des pièces de petit format.
Médecine, aéronautique, bâtiment : des applications concrètes
Ce qui relevait encore de la prospective il y a quelques années est devenu une réalité industrielle dans plusieurs secteurs :
- le médical : prothèses et implants sur mesure, guides chirurgicaux, gouttières dentaires, modèles anatomiques pour préparer une opération ; la bio-impression, qui dépose des cellules vivantes pour reconstituer des tissus, reste du domaine de la recherche ;
- l’aéronautique : l’injecteur de carburant du moteur LEAP, produit par CFM International, coentreprise de Safran et de GE, est imprimé d’un seul tenant au lieu d’assembler une vingtaine de pièces ; il est environ 25 % plus léger et cinq fois plus durable ;
- l’automobile : prototypes, outillages et pièces détachées, y compris pour des modèles anciens qui ne sont plus fabriqués ;
- l’électroménager : pièces de rechange qui prolongent la durée de vie des appareils ;
- le bâtiment : à Nantes, la maison Yhnova, logement social de 95 m², a vu ses murs imprimés en 54 heures par un robot ; inaugurée en 2018, elle a accueilli une famille la même année.
Là où l’édification d’une cathédrale gothique mobilisait des générations d’artisans, un robot élève aujourd’hui les murs d’une maison en quelques jours.
L’impression 3D à domicile : où en est-on ?
Depuis l’expiration des premiers brevets, les imprimantes grand public se sont multipliées. Les passionnés y fabriquent figurines, pièces de rechange, accessoires ou objets de décoration, souvent à partir de fichiers partagés en ligne. Les fab labs, ateliers collaboratifs ouverts au public, donnent accès à ces machines sans avoir à les acheter.
Pour autant, l’imprimante 3D n’est pas devenue un appareil aussi courant qu’une imprimante de bureau : la préparation des fichiers, les réglages et la finition demandent encore du temps et un réel savoir-faire. L’usage domestique reste largement celui d’amateurs éclairés.
Les obstacles à surmonter
Pour se généraliser, la fabrication additive doit encore lever plusieurs freins :
- financiers : les machines industrielles, surtout pour le métal, et leurs matériaux restent coûteux ;
- technologiques : la vitesse d’impression et la taille des pièces demeurent limitées pour la grande série ;
- techniques : certains matériaux, notamment les poudres métalliques, sont délicats à manipuler, et les pièces exigent souvent une finition ;
- normatifs : la certification des pièces critiques impose des contrôles poussés, même si des normes internationales encadrent désormais le secteur ;
- humains : concevoir pour la fabrication additive requiert des compétences spécifiques ;
- juridiques : la circulation de fichiers numériques soulève des questions de propriété intellectuelle et de contrefaçon.
Vers la fin de l’ère macro-industrielle ?
En produisant au plus juste, l’impression 3D peut réduire la consommation de matières premières, les transports et les déchets, tout en allongeant la vie des objets grâce aux pièces de rechange. Son bilan énergétique dépend toutefois du procédé : la fusion de poudres métalliques par laser reste gourmande en énergie.
En relocalisant la production dans des micro-usines ou chez l’utilisateur, elle pourrait transformer la façon dont les biens sont fabriqués et consommés. L’artisan traditionnel, confronté à ces nouveaux sites de production, risque d’être marginalisé, à moins de s’approprier lui-même ces outils.
Une production à la demande et personnalisée annoncerait alors le déclin de l’ère macro-industrielle, sans faire disparaître pour autant la grande série, qui reste plus économique pour les objets standardisés.
Pour aller plus loin
- 3D Printing: The Next Industrial Revolution, Christopher Barnatt (2013) ;
- Fabricated: The New World of 3D Printing, Hod Lipson et Melba Kurman (2013).
Questions fréquentes
Qui a inventé l’impression 3D ?
La première demande de brevet sur la stéréolithographie a été déposée en France le 16 juillet 1984 par Jean-Claude André, Alain Le Méhauté et Olivier de Witte. L’Américain Chuck Hull, qui a déposé son propre brevet quelques semaines plus tard et fondé 3D Systems, est toutefois considéré comme l’inventeur de la technologie.
Quelle différence entre impression 3D et fabrication additive ?
Les deux expressions désignent le même principe : fabriquer un objet par ajout de matière, couche par couche. « Fabrication additive » est le terme retenu par l’industrie et les normes, « impression 3D » celui du grand public.
Quels matériaux peut-on imprimer en 3D ?
Plastiques (PLA, ABS, polyamide), résines photosensibles, métaux comme le titane ou l’aluminium, céramiques, béton et, en laboratoire, cellules vivantes.
Peut-on imprimer une maison en 3D ?
Oui. En France, la maison Yhnova, à Nantes, est un logement social de 95 m² dont les murs ont été imprimés par un robot. Elle est habitée depuis 2018.