Master MIDI, veille technologique – 2011 –

Prototypage rapide et fabrication additive

Emmanuel Gilloz1

1 8 Rue Bastien Lepage, 54000 Nancy. emmanuel.gilloz@gmail.com

RÉSUMÉ : Cet article fait état des différentes techniques de fabrication additive, les gammes de machines disponibles sur le marché, et qui grâces aux différents acteurs auront des conséquences sur toute la chaîne de production, les pratiques de conception ainsi que l'organisation de la société par extension.

MOTS-CLÉS : rapid prototyping, digital fabrication, additive manufacturing, open-source, FabLab.

1. Introduction

Les techniques de prototypage rapide existent depuis un peu plus de 20 ans, mais leur développement récent, et surtout la baisse de leurs coût, sont sur le point de bouleverser toute l'industrie manufacturière et de nombreux autres domaines par extension.

On les utilises déjà énormément dans l'industrie et la conception, mais aussi en archéologie, dans les domaines du médical ou bien encore en bijouterie, etc.

Selon Wohlers plus de 20% de la production des imprimantes 3D consiste en des produits finis et pourrait atteindre 50% d'ici 2020. On parle ainsi souvent de fabrication rapide/rapid manufacturing. L'utilisation du terme « rapide » est relatif, si pour une pièce il est bien plus efficient de procéder ainsi plutôt que de réaliser les outillages/moules autrement nécessaires, la fabrication pourra tout de même prendre plusieurs heures. Mais avec leur progrès il est probable qu'à terme ces techniques remplacent la production qui étaient jusqu'alors dans une logique de grandes séries.

1.1 Fabrication additiveLa pièce va être réalisée par ajout successifs de couches de matière (à l'inverse de la fabrication soustractive, par exemple usinage d'un bloc de départ), ce qui offre plusieurs avantages : toute la matière est utilisée (plus de chutes), la mise en œuvre permet de réaliser des formes autrement infaisables et de produire des pièces toutes différentes.

Figure 1. Objets réalisées par fabrication additive

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Ainsi même si il est plus coûteux de produire une seule pièce, tout les autres coûts sont revu à la baisse : transport, emballage, fournisseurs, distributeurs, etc. Aucun coût de modification de l'outillage, aucun coût de personnalisation. Plus rapide à mettre sur le marché, plus rapide à partager, tout est plus rapide, et cette production individuelle rendra de plus en plus favorable une production décentralisé, sur place et à la demande, là où on en a besoin.

On libère donc la conception des contraintes habituelles, l'élimination des chutes de matière est aussi très intéressante d'un point de vue économique/environnemental, et cela permet en plus de proposer des objets éventuellement adaptés pour chaque personnes.

Figure 2. Génération des données de fabrication

Parmi les 100 choses à surveiller pour l'année à venir, l'impression 3D est placée en tête (JWT, 2010), et l'envolée des actions des deux plus grosses entreprises qui commercialisent des machines professionnelles semble en confirmer l'intérêt grandissant.

2. État de l'art

2.1. TechniquesLa fabrication additive regroupe un ensemble de techniques diverses, la proposition de norme pour la fabrication additive (DIN Germany, 2010) permet justement d'en avoir un aperçu assez exhaustif.

• Stéréolithography (SL)

• Laser Sintering (LS)

• Laser melting

• Fused layer modeling/manufacturing (FDM)

• Multi-jet modeling (MJM)

• Polyjet modeling (PJM)

• 3D Printing (3DP)

• Layer laminated manufacturing (LLM)

• Mask sintering (MS)

• Digital light processing (DLP)

Les plastiques constituent une grande part des matières employées, on trouve aussi bien des polymères courant (ABS, PLA, HDPE,...), que des polymères techniques de haute performance (PC, POM, PEEK,...). Mais le choix s'élargit également à de nombreux autres matériaux : métaux, verres, céramiques, os, tissus cellulaires, chocolat, sucre...

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2.2. Fabricants et machinesParmi toutes ces techniques celles utilisant des poudres ou un dépôt de fil fondu semblent les plus répandues, et représentent sans doute un bon compromis entre le coût, la résolution, la rapidité, les matériaux. Il existe aujourd'hui plus de 40 fabricants (Wohlers 2010) mais de manière général on pourrait répartir les différentes machines existantes en trois grandes catégorie.

2.2.1. Professionnelles (de 4000€ à plus de 1 000 000€)Les machines professionnelles, qui ont une bonne résolution, un volume imprimable assez important et des possibilités techniques parfois impressionnantes (impression possible du verre, métal, plusieurs matériaux en même temps ou même en couleur pour certaines). Proposées par des fabricants comme Stratasys, 3D System, Z Corp, Concept Laser,...

Figure 3. Exemple de finition obtenu par Laser Melting avec une machine professionnelle

2.2.2 Hybrides (2000€ - 4000€)À l'origine plus proches des kits amateurs très haut-de gamme. Il s'agit d'imprimantes souvent déjà montées et prête à être utilisée. Certains grand fabricants ont d'ailleurs pris conscience de l'explosion du nombre de machines amateurs (De Bruijn, 2010), et sentis la menace et le potentiel qu'elles pourraient représenter. Ainsi 3DSystem a racheté Bits from Bytes qui produit la Bfb3000, autrement on trouve également la Fab@home (nextfab.com), ou encore la UP! également basé sur la RepRap mais produite par une entreprise chinoise (pp3dp.com).

Figure 4. Une Bfb 3000, une Fab@home et une UP!

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2.2.3. Amateurs (400€ - 2000€)De l’autre coté émerge des kits pour amateurs, le prix varie selon que vous achetiez une machine déjà montée, un kit complet, ou que vous vous débrouillez pour récupérer une partie des composants. La dernière solution est évidemment la plus économique. Leur performances se rapprochent peu à peu des machines professionnelles d'entrée de gamme, et avec leur prix, elles sont en train de se diffuser très rapidement, au point que le nombre de machines fait plus que doubler chaque année (De Bruijn, 2010).

Makerbot est un des plus grand acteur dans cette gamme, co-fondée par Bre Pettis cette entreprise vend des kits et accessoires pour monter une imprimante open-source inspirée de la première RepRap « Darwin ». Ils soutiennent également le site internet Thingiverse (thingiverse.com), qui est une bibliothèque d’objets prêt à être imprimés (au format .stl ou du logiciel ayant servit à les modéliser), alimentée par toute la communauté des utilisateurs/passionnés d'imprimantes 3D (on y trouve aussi des fichiers destinées à de la découpe 2D, ou autres techniques accessibles).

La shapercube (distribuée par reprapsource.com) se situe dans la même gamme de prix et peu supporter un deuxième extrudeur ou un équipement de CNC.

Figure 5. Une makerbot « Thing-O-Matic » et une Shapercube

Quand au projet RepRap (pour « replicating rapid prototyper » qui consiste à concevoir une imprimante 3D open-source auto-réplicable) il aura inspiré de nombreux autres projets, donné naissance à plusieurs générations d'imprimantes et regroupe divers projets d'amélioration/développement grâce à une communauté très active.

Figure 6. Les différentes version de la RepRap : Darwin, Mendel, Huxley (ou mini-mendel) et Prusa (Mendel simplifiée)

L'avantage étant que, en plus de pouvoir imprimer une partie des pièces qui la compose (50% environ) le reste peut se trouver relativement facilement dans le commerce. Le terme de « open-source hardware » a d’ailleurs été proposé pour caractériser tout ce qui dépasse le cadre premier des logiciels.

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2.3. EntreprisesEn plus des fabricants, si on ne souhaite pas mettre les mains dans le cambouis ou pour des travaux ponctuels, on trouve de très nombreuses entreprises offrant des services d'impression 3D avec des machines professionnelles :

shapeways.com

i.materialise.com

sculpteo.com

ponoko.com

cloudfab.com

etc.

Il en existe même plus d'une centaine (Wohlers 2010).

2.4. Universités, labo, chercheursL'université de Bath (http://www.bath.ac.uk/) qui est à l'origine du « Replicating Rapid prototyper project, RepRap » (Bowyer et al, 2007)

Pour le moment se sont essentiellement des particuliers/hobbyistes qui ont montés ce type d'imprimante, on en trouve également dans certaines écoles, et dans quelques studios de design. Unfold par exemple, font beaucoup d'expériences avec de la céramique (unfold.be).

Open 3DP (http://open3dp.me.washington.edu)

« Open3dp is a website hosted by the Solheim Rapid Prototyping Laboratory in the Mechanical Engineering Department on the University of Washington campus. Its purpose is to disseminate information and foster a community of people interested in an open sharing of 3D printing information. »Ils ont produits des avancées intéressantes dans l'utilisation d'autres matériaux (céramique, poudre d'os et nombreuses autres recherches en cours) ainsi que pour les machines elles-même (clonedel, AdderFab).

Le Center for Bits and Atoms (http://fab.cba.mit.edu/) du Massachusetts Institute of Technology. Le concept de Laboratoire de Fabrication découle d'un cours très populaire de Neil Gershenfeld appelé « How To Make (Almost) Anything » (« Comment (presque) tout fabriquer »). Explorant comment le contenu de l'information renvoie à sa représentation physique, et comment une communauté peut être rendue plus créative et productive si elle a accès à une technologie au niveau local. Voyant que ses élèves revenaient le soir pour fabriquer des objets pour eux-même il décida d'ouvrir un FabLab, permettant de répondre au même besoin mais avec des machines bien moins coûteuses.

Lancé en 2002 l'idée s'est ensuite rapidement propagée, et on compte actuellement un réseau de plus de 45 FabLab à travers le monde (mais chacun est indépendant). La plupart aux États-Unis, et aux Pays-Bas mais également en Afrique, en Europe du Nord, et seulement 2-3 en France. Il s’agit de lieux ouverts à tout le monde, dans lesquels on peut trouver toutes sortes de machines et d’outils à commande numérique (notamment des imprimantes 3D), pour en théorie pouvoir donc fabriquer quasiment n’importe quoi.

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En plus des institutions universitaires, la nature open-source de certains projets comme la RepRap ou les FabLab permettent à toute une communauté de se créer, l’état d’esprit étant très axé sur le partage et la collaboration, tout le monde peut y aller de son grain de sel pour faire progresser les choses (si on peut le résumer ainsi).

Autrement, une vingtaine d'universités et institutions de recherches travaillent dans ce domaine (Wohlers 2010)

3. Opportunités d'apport scientifique

Au niveau des machines, le but ultime fixé par le MIT est la fabrication moléculaire.

Pour le projet RepRap la plus grande marge d'amélioration est dans les logiciels qui servent à convertir les fichiers CAD en instructions pour l'imprimante.

Mais a mon sens le plus intéressant ne sont pas les outils, mais quels vont être les conséquences de leur utilisations en masse et de l'open-source sur nos pratiques, notamment via l'environnement des FabLab.

Expérimentations avec les moteur de recherche Google/Google Scholar, exprimés en nombre de résultats selon chaque requêtes (réalisées entre le 14 et le 18 mars) :

« design » 2 080 000 000 / 5 140 000

« design research » 36 400 000 / 5 010 000

« "design research" » 1 460 000 / 142 000

« open source » 156 000 000 / 4 530 000

« open-source » 135 000 000 / 611 000

« open design » : 665 000 000 / 3 840 000

« open-design » : 52 300 000 / 10 800

« open-source design » : 57 000 000 / 323 000

« open-source hardware » : 5 410 000 / 69 900

« open-source hardware design » : 3 530 000 / 60 700

« open-source hardware design consequences » : 665 000 / 26 200

« open-source hardware design consequences Fab Lab » : 91 800 / 39

« Fab Lab » : 683 000 / 193 000

« FabLab » : 128 000 / 775 / et 5 sur scopus (dont 1 en 2005 et 4 en 2010)

« FabLab france » : 18 200 résultats / 116

« open-design fablab » : 21 000 / 11

« consequences open-source culture design » : 1 670 000 / 18 900

« open-source impact » 21 600 000 / 104 000

« "open-source impact" » 41 900 / 17

« effects emerging open-source culture » 2 400 000 / 20 100

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« open-source hardware impact » 1 810 000 / 40 400

« design research open-design fablab impact » 4450 / 10

« "design research" open-design fablab impact » 220 / 1

« rapid prototyping » 2 700 000 / 144 000

« rapid prototyping open-source » 708 000 / 10 400

« prototypage rapide » 316 000 / 2 690

« rapid prototyping "open-design" » 11 800 / 275

« digital fabrication » 12 900 000 / 1 180 000

« digital fabrication open-source » 639 000 / 4 620

« digital fabrication "open-design" » 62 600 / 303

« rapid manufacturing "open-design" » 13 700 / 10 080

Certains résultats sont assez révélateur de la situation et de l'émergence des ces problématiques, ce qui semble confirmer l'intuition qu'il y a potentiellement quelque chose à apporter dans ces domaines. Et si la recherche en design est relativement peu reconnue en France, ou qu'un faible nombre d'études ont été faites sur le sujet (en comparaison de la totalité), c'est n'est que plus encourageant pour l'exploration de cette direction.

4. Positionnement

On compare souvent l'arrivée de ces imprimantes 3D à celle des imprimantes couleurs, en terme de diffusion, d'évolution du prix ou d'accessibilité. Et de la même manière que l'informatique personnelle, Internet, ou les imprimantes couleur (2D) ont modifiés nos pratiques, nous sommes en train d'assister au début d'un nouveau changement.

Et comme le dit Klaus Müller-Lohmeier "This is a paradigm shift in design and manufacturing. These technologies will allow us to move from manufacturing-driven design, where the design is dictated by the manufacturing techniques, to truly design-driven manufacturing."Ce qui m'intéresse n'est donc pas tant cette révolution en soi, que les conséquences qu'elle aura notamment et surtout sur la pratique du Design, qui va devoir entièrement se repenser dans ce nouveau paradigme où tout le monde peut avoir accès à l'information, la connaissances, ainsi qu'aux outils de productions.

5. Conclusion et perspectives

On faisait déjà de plus en plus appel au prototypage rapide, mais cela restait quand même coûteux et donc limité. Pour les designers et entreprise, intégrer le prototypage rapide permet d’accélérer le processus qui mène au produit fini (avantage concurrentiel économies importantes, etc). Mais aujourd’hui on peut donc s’en servir beaucoup plus librement, avec

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l’avantage de pouvoir déjà travailler avec un modèle numérique, modifiable rapidement et ensuite utilisable directement.

La question « pourquoi acheter ou posséder un objet quand on peut le fabriquer, le louer, etc ? » trouve un nouveau souffle aujourd’hui. Les FabLab sont une des facettes de la révolution qui se passe en ce moment ; à terme il sera possible que ces techniques servent à fabriquer non plus des prototypes mais les objets eux-même. Cela permettra à la fois une production à la demande et une variation infinie des propositions, le potentiel donc conséquent.

Il est possible qu’à l’avenir le système de production classique (grande série et économie d’échelle), et la dynamique offre-demande s’en trouvent grandement bouleversés. Il faudra sûrement repenser nos processus de conception, les usagers seront de moins en moins des clients/consommateurs pour devenir de plus en plus des co-créateurs directement impliqués, les technologies de communications aidant (Meredith Davis, 2008).

Dans la même veine un rapport commandé par la maison blanche et intitulé Factory@home faisait justement état de la situation et des recommandations pour que les États-Unis conservent une position de leader dans ce domaine après avoir mené celui de l'informatique personnelle. Le rapport préconise ainsi 20 actions à entreprendre :

• Put a personal manufacturing lab in every school

• Offer teacher education in basic design and manufacturing technologies in relation to STEM education

• Create high quality, modular curriculum with optional manufacturing components

• Enhance after school learning to involve design and manufacturing

• Allocate federal support for pilot MEPs programs to introduce digital manufacturing to regional manufacturing companies

• Promote published and open hardware standards and specifications

• Develop standard file formats for electronic blueprints design files

• Create a database of CAD files used by government agencies

• Mandate open geometry/source for unclassified government supplies

• Establish an “Individual Innovation Research Program” for DIY entrepreneurs

• Give RFP priority to rural manufacturers that use personal manufacturing

• Establish an IP “Safe Harbor” for aggregators and one-off producers

• Explore micropatents as a smaller, simpler, and more agile unit of intellectual property

• Re-visit consumer safety regulations for personally-fabricated products

• Introduce a more granular definition of a “small” manufacturing business

• Pass the National FabLab Network Act of 2010, HR 6003

• “Clean company” tax benefits should include efficient manufacturing

• Offer a tax break for personal manufacturing businesses on raw materials

• Fund a Department of Education study on personal manufacturing in STEM education

• Learn more about user-led product design

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Peut-être qu'on ne pourrait transposer cette liste tel quelle en France, mais ne serait-ce que la première action « ouvrir un laboratoire de fabrication personnelle dans chaque école » constituerai déjà un fort encouragement.

Ces technologies sont encore émergentes en France, mais il est d’autant plus intéressant pour les créateurs de les explorer, de contribuer au mouvement, et d’envisager quel rôle pourront-nous y jouer.

6. Références bibliographiques

Bowyer Adrian (2007), « RepRap-the Replicating Rapid Prototyper Projec », <http://www.bath.ac.uk/idmrc/themes/projects/amps/AMPS-Project-RepRap.pdf>

Cornu J.-M., (2010), « Quelque chose se passe du coté de la fabrication numérique », <http://fing.org/?Quelque-chose-se-passe-du-cote-de>

De Bruijn (2010), « On the viability of the Open Source Development model for the design of physical objects », <http://thesis.erikdebruijn.nl/master/MScThesis-ErikDeBruijn-2010.pdf>

Gershenfeld Neil (2006), on FabLabs <http://www.ted.com/tedtalks/tedtalksplayer.cfm?key=n_gershenfeld>

DIN Germany, ISO New Work Item Proposal, (2010) « Additive Manufacturing - Rapid Technologies (Rapid Prototyping) – Fundamentals, terms and definitions, quality parameters, supply agreements » <http://publicaa.ansi.org/sites/apdl/Documents/News%20and%20Publications/Links%20Within%20Stories/ISO%20NWIP%20%28Additive%20manufacturing%29.pdf>

Meredith Davis, (2008) « Why Do We Need Doctoral Study in Design », in International Journal of Design <http://www.ijdesign.org/ojs/index.php/IJDesign/article/view/481/223>

Müller-Lohmeier Klaus (2011), « Designing differently » in Euka magazine <http://www.eurekamagazine.co.uk/article/31261/Cover-story-Designing-differently-.aspx>

My delicious bookmarks, <http://www.delicious.com/watsdesign/3DP>

JWT (2010), 100 Things to watch in 2011, <http://www.slideshare.net/jwtintelligence/2f-100-things-to-watch-in-2011-6306251>

Lipson Hod & Kurman Melba, (2010) « Factory At Home, The emerging economy of personal manufacturing » <http://www.mae.cornell.edu/lipson/factoryathome.pdf>

Wholers (2010) <http://www.wohlersassociates.com/>