L'histoire de la Fabrication Additive. Partie I

Autor: David Rodríguez
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16 août 2021

S'agissant du premier article du blog, quelle meilleure façon de commencer que de passer en revue les étapes qui ont été franchies pour atteindre l'écosystème technologique actuel. Sous le même nom de fabrication additive ou d'impression 3D, nous disposons de différents moyens de transformer la matière qui partagent ou non des principes scientifiques entre eux. Comment ont-ils été formulés à l'origine ? Comment chaque procédé a-t-il évolué ? Quelles entreprises sont nées de chaque technologie ?

Nous divisons l'entrée en trois parties coïncidant avec des étapes importantes. La première partie explore les fondements sur lesquels reposent les technologies. La deuxième partie traite de la commercialisation des machines et de la création d'acteurs majeurs de l'industrie. Et le troisième concerne la démocratisation et l'ouverture du monde de la fabrication additive grâce à la fin des brevets.

Partie I. La préhistoire.

La décennie 2010-2020 a été celle de la montée en puissance de l'impression 3D, qui est sortie des ateliers des entreprises industrielles pour s'imposer dans le monde entier : on la trouve aujourd'hui dans les maisons, les studios d'architecture et de design et même dans nos rues, nous donnant l'impression qu'elle vient d'être inventée. Cependant, la communauté scientifique s'accorde à situer le début de cette voie au milieu du XIXe siècle [1][2]. Nous parlons donc de 150 ans d'expérimentation et de développement.

Les origines et les premiers essais.

On peut dire que le premier dispositif de création d'objets tridimensionnels remonte au milieu du XIXe siècle et est l'œuvre du sculpteur et photographe français François Willème. 24 caméras équidistantes de l'élément à sculpter prennent les images qui, une fois leurs silhouettes découpées et disposées sur un axe commun, nous donnent un contour à 360º sur toute la hauteur sur lequel travailler avec un matériau.

Patente de François Willème

Ce développement est intéressant car il s'agit d'une manière analogique de scanner des objets et de les rendre volumétriques à partir d'une approche de rétro-ingénierie, dans le but même pour lequel nous utilisons la technologie aujourd'hui : gagner en précision et en temps.

Estudio de François Willème. Vía J. Breuninger et al

En 1864, un brevet lui est accordé aux États-Unis [3], bien que la technique ne présente pas un grand intérêt commercial et ne soit pas développée pour d'autres domaines que la sculpture des personnes. Néanmoins, sa nécrologie fait référence à son invention.

Notice nécrologique de F. Willème du 7 février 1905. Via PYCRIL.

En 1890, le cartographe Joseph E. Blanther a déposé un brevet pour une méthode de production de cartes en relief tridimensionnelles [4]. Les nouvelles stratégies militaires nécessitaient une connaissance plus précise du terrain que celle fournie par une carte en 2D, qui, si elle donnait une idée de la géographie, n'était pas aussi visuelle.

Brevet de J. Blanther

Elle était basée sur la superposition de couches, une par une, en découpant des plaques de cire profilées qui étaient fondues par couches puis lissées sur les surfaces extérieures. Il s'agit maintenant de travailler par couches, mais comme dans le brevet de Willème, nous devons effectuer certaines opérations manuelles pour obtenir le résultat final.

De plus, dans les deux cas, l'objet de l'invention est orienté vers des domaines spécifiques : la sculpture et la cartographie, de sorte que d'autres secteurs pourraient difficilement appliquer ces techniques à leurs fins. De ces deux disciplines découlent un certain nombre de brevets qui approfondissent le concept de couches successives. Cette chronologie est décrite en détail par Beaman et al [1].

Déjà au 20ème siècle, nous trouvons un développement pour fabriquer des objets en ajoutant des couches successives, par R. Baker en 1920 avec une demande de brevet pour la technologie de dépôt de métal par arc électrique [5]. Celle-ci fait déjà référence aux "articles décoratifs", ce qui nous donne l'idée qu'une large gamme d'objets peut être fabriquée, avec un plus grand potentiel de développement.

Brevet de R. Baker

Photopolymérisation

C'est la chimie qui est entrée en jeu dans les années 1950, lorsque la société DuPont a inventé la résine photopolymère [6], qui a servi de base au développement de différentes techniques basées sur les lasers dans les années 1950, 1960 et 1970. On peut dire que c'est à cette époque que les premières tentatives de polymérisation d'une résine ont été faites, bien que le degré de développement de la technologie et sa commercialisation soient encore primitifs, et qu'elles ont surtout servi à poser les bases scientifiques de ce qui allait suivre.

En 1951, Otto John Munz a inventé une technique consistant à empiler une série de photographies 2D imprimées sur une émulsion photosensible [7]. Chacune de ces images projetées, correspondant à une section transversale de l'objet à imprimer, est exposée sélectivement au support photosensible. [8]

L'avancée est que le système dispose déjà d'un piston qui descend progressivement en Z à chaque couche ajoutée, l'un des principes de fonctionnement des machines modernes. L'un des inconvénients était que ce piston devait précisément être retiré avec l'ensemble du support et être soit sculpté, soit soumis à un processus photochimique pour obtenir la forme de l'objet en question.

Imagen del dispositivo de Munz para su patente de 1951. El sistema recuerda al proceso DLP y SLA combinados.

Une série d'expériences menées par W. K. Swainson à la fin des années 1960 au Battelle Memorial Institute, appelée "usinage photochimique", visait à solidifier la résine dans un réservoir au point d'intersection de deux lasers de longueurs d'onde différentes par réticulation ou dégradation du polymère [6][7]. C'est le début du travail sur le sujet avec les lasers. Dans le brevet de 1971 [9], des termes tels que miroir commandé par galvanomètre ou stratégies de balayage laser sont déjà mentionnés.

Patente de Swainson

En 1971, le Français Pierre Ciraud a déposé une demande de brevet [10] pour une méthode de fabrication de "tout matériau fusible" en le solidifiant à l'aide d'une source d'énergie provenant d'un faisceau laser. Il s'agit du premier développement basé sur la transformation de matériaux à partir de la poudre, et peut être considéré comme un précurseur du Laser Cladding de la famille DED.

Brevet de Ciraud

Ciraud lui-même la décrit comme une invention qui permet de fabriquer des pièces aux formes extrêmement complexes sans avoir recours à des moules de coulée [11].

R. Housholder a déposé une demande de brevet en 1979 [12] qui comprenait la description d'un système et d'une méthode qui peuvent être considérés comme le précurseur de la technologie de frittage sélectif. L'objet déclaré de l'invention était "de fournir un procédé de moulage nouveau et unique pour former des articles tridimensionnels en couches et dont le processus peut être contrôlé par la technologie moderne telle que les ordinateurs". Nous continuons avec la poudre comme matière première mais dans ce cas, le laser, contrôlé par un ordinateur, effectue une trajectoire x-y le long d'une couche de poudre ajoutée.

Brevet de Housholder

En raison du coût très élevé des lasers à l'époque et du fait que les ordinateurs étaient encore en cours de développement, son invention n'a pas attiré beaucoup d'attention. Ce n'est que plus tard, lorsque la société DTM l'a découvert et a cédé le brevet, qu'il a commencé à être commercialisé sous le nom de SLS [11].

Hideo Kodama

Nous arrivons en 1981 avec l'un des noms clés. Hideo Kodama, de l'Institut municipal de recherche industrielle de Nagoya, a publié un article [13] dans lequel il expérimente la solidification d'une résine photosensible avec un traceur x-y guidant la fibre optique comme source de rayons UV.

Peu de temps après, toujours en 1981, il a publié un deuxième article [14] dans lequel il a décrit la technologie de manière plus détaillée avec trois méthodes différentes.

Systèmes Kodama
(a) Utilisation d'un masque pour contrôler l'exposition aux UV. La plate-forme est abaissée.
(b) Utilisation d'un masque pour contrôler l'exposition aux UV, mais positionné en dessous. La plate-forme descend.
(c) Avec la plate-forme en descente mais en utilisant un traceur x-y et des fibres optiques pour l'exposition d'une nouvelle couche.

Il mentionne des paramètres familiers tels que la longueur d'onde, le diamètre focal, la hauteur de la couche, le temps d'exposition, la viscosité de la résine et même les substrats. Il souligne les possibilités de créer des structures assez complexes en peu de temps et à faible coût, sans travail manuel excessif. L'image montre une pièce de 20 x 20 x 12,5 mm réalisée avec 5 couches de 2,5 mm d'épaisseur. 96 minutes par couche, total 8h.

Une des pièces de Kodama

En avril 1980, Hideo Kodama avait déjà déposé une demande de brevet [15] qui a ensuite été bloquée, selon certaines sources, en raison d'un manque de financement pour assurer la poursuite des tests et du développement. Néanmoins, il est considéré comme un pionnier dans l'approche de l'empilement de couches successives solidifiées par une source ultraviolette, à tel point qu'il a été reconnu par ses collègues de l'IECE (Institute of Electronics, Information and Communication Engineers) au Japon en 2014 pour son travail dans le développement précoce de la technologie d'impression 3D [16].

Tout au long des années 1980, cette idée prendra forme dans d'autres têtes en Europe et aux États-Unis pour donner naissance à la commercialisation de la technologie de fabrication additive et servir l'industrie au-delà de l'expérimentation.

RÉFÉRENCES

[1] J. Breuninger, R. Becker, A. Wolf, S. Rommel, A. Verl, et al. Generative Fertigung mit Kunststoffen: Konzeption und Konstruktion fr selektives Lasersintern, Springer Vieweg, Berlin (2013)

[2] D.L. Bourell, J.J. Beaman, Jr., M.C. Leu, and D.W. Rosen, A Brief History of Additive Manufacturing and the 2009 Roadmap for Additive Manufacturing: Looking Back and Looking Ahead (US, Turkey Workshop on Rapid Technologies, 2009).

[3] F. Wilème. Photographing sculpture US43822. Aug. 9, 1864

[4] J E. Blanther. Manufacture of contour relief maps. US473901. May. 3, 1892

[5] R. Baker. Method of making decorative articles. US 1,533,300, Filed Nov. 12, 1920

[6] http://www.wohlersassociates.com/history.pdf

[7] O. J. Munz. Photo-glyph recording. US2775758. Filed May. 25, 1951.

[8] O. Diegel, A. Nordin, D. Motte. A Practical Guide to Design for Additive Manufacturing. Springer (2019)

[9] W.K. Swainson. Method, medium and apparatus for producing three dimensional figure product. US4041476. Filed Jul. 23, 1971

[10] A. Ciraud, Process and Device for the Manufacture of any Objects Desired from any Meltable Material, FRG Disclosure Publication 2263777. Filed Dec. 28, 1971

[11] M. Shellabear & O. Nyrhilä, DMLS – "Development History and State of the Art," presented at LANE 2004 conference, Erlangen, Germany, Sept. 21-24, 2004

[12] R. Housholder. Molding process. US4247508. Filed Dec. 3, 1979

[13] Hideo Kodama. "A Scheme for Three-Dimensional Display by Automatic Fabrication of Tree-Dimensional Model" .IEICE Transactions on Electronics, Vol.J64-C No.4, pp.237-241, April 1981.

[14] H. Kodama. "Automatic method for fabricating a threedimensional plastic model with photo hardening polymer". Rev. Sci. Instrum, Vol. 52, No. 11, pp 1770-1773. Nov. 1981

[15] H. Kodama. Stereoscopic figure drawing device.  JPS56144478A. Filed Apr. 12th, 1980

[16] IECE

David Rodríguez

3D Printing professional. Mining & Energy Engineer B.Sc. Industrial Engineer M.Sc. Believe to make.

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