Le format de fichier STL est un format utilisé dans les logiciels de stéréolithographie (STL pour Stéréolithographie). Ce format a été développé par la société 3D Systems. Ce format de fichier est utilisé par de nombreuses autres sociétés. Il est largement utilisé pour faire du prototypage rapide et de la fabrication assistée par ordinateur. Le format de fichier STL ne décrit que la géométrie de surface d'un objet en 3 dimensions. Ce format ne comporte notamment pas d'informations concernant la couleur, la texture ou les autres paramètres habituels d'un modèle de conception assistée par ordinateur.
Le fichier STL décrit un objet par sa surface externe. Cette surface est nécessairement fermée et définie par une série de triangles (ou de facettes). Chaque triangle est défini par les coordonnées cartésiennes (x, y, z) dans un trièdre direct de son vecteur normal unitaire (n) orienté vers l'extérieur de l'objet et de ses trois sommets (vertex/vertices en anglais) ordonnés dans le sens trigonométrique. Pour certains logiciels, le vecteur normal peut être mis à (0,0,0) ; il sera alors calculé par le logiciel à partir des coordonnées des sommets suivant la règle de la main droite. Les coordonnées des sommets devaient à l'origine être positives, mais on rencontre désormais couramment des coordonnées négatives dans les fichiers STL. Chaque triangle doit partager 2 sommets avec chacun des triangles le juxtaposant. Dit autrement, le sommet d'un triangle ne doit pas être sur l'arête d'un autre triangle. Il n'y a pas d'information d'échelle. L'unité de longueur est arbitraire. Il est recommandé de classer les points par z croissant pour faciliter la lecture du fichier par certains logiciels. De plus, l'axe z est considéré comme l'axe vertical, bien qu'une correction sur l'axe y soit effectuée par certains logiciels de conception 3D comme Blender.
Qu’est ce que l’impression 3D ?
L’impression 3D est une technologie de fabrication d’objets et de structures en trois dimensions. Il s’agit d’une technique dite de fabrication additive (FA), ou Additive Manufacturing (AM) en anglais, par opposition aux méthodes de fabrication soustractive comme le fraisage CNC.
En impression 3D, l’objet final est construit par dépôt de couches de matière les unes sur les autres, tandis que les technologies soustractives retirent de la matière pour « sculpter » un objet.
Pour créer un objet solide, l’imprimante 3D dépose de la matière sur le lit d’impression en suivant le modèle contenu dans un fichier 3D, souvent au format STL. Le matériau d’impression le plus commun est le plastique fondu (PLA ou ABS en général) utilisé comme consommable sous forme de bobine de filament par les imprimantes 3D à dépôt de fil fondu (dites FFF pour Fused Filament Deposition ou FDM pour Fused Deposition Modeling).
Toutefois, il existe de nombreuses autres technologies.
Les principales technologies d’impression 3D
De nombreuses technologies d’impression 3D sont déjà disponibles sur le marché, et un certain nombre sont en cours de développement. Chacune de ces technologies requiert un type de matériau d’impression 3D différent, allant du filament plastique en bobine (PLA, ABS, PEEK, …) à la résine liquide photosensible ou encore la poudre (métallique, plastique, …).
Chaque technologie d’impression 3D présente des avantages et est adaptée pour des applications particulières.
Voici les principales catégories de technologies d’impression 3D :
- Dépôt de fil ou extrusion (FFF et FDM) : Un filament plastique est fondu et déposé sur une plateforme d’impression, formant l’objet couche après couche.
- Photopolymérisation (SLA, DLP, LCD) : Un laser ou une source de lumière solidifie une résine liquide et photosensible, point par point (SLA laser) ou couche par couche (DLP, LCD).
- Fusion de poudre (SLS, SLM, DMLS) : Un laser fusionne des particules de poudre point par point.
S’affranchissant des contraintes liées aux techniques de fabrication traditionnelles, l’impression 3D est la technologie idéale pour du prototypage rapide par exemple (un de ses usages le plus courant). Il existe aussi des imprimantes 3D industrielles, plus avancées, utilisées pour la fabrication en série d’objets finis et de pièces opérationnelles.
Le développement de l’impression 3D impacte déjà les méthodes et cycles de conception et de production dans de nombreux secteurs.
Extrusion et dépôt de fil fondu (FDM, FFF)
Dépôt de fil fondu : FDM (Fused Deposition Modeling) et FFF (Fused Filament Fabrication)
La technologie d’impression 3D par dépôt de fil fondu, aussi appelée extrusion, utilise du filament plastique (typiquement PLA ou ABS) comme consommable. Il s’agit de la technique d’impression 3D la plus répandue.
Le filament est chauffé et fondu dans la tête d’impression (aussi appelé extrudeur) de l’imprimante 3D puis ressort à travers une fine buse. L’extrudeur se déplace horizontalement selon deux axes (les axes X et Y) en même temps que la plateforme d’impression se déplace sur un axe vertical Z, sauf lorsqu’il s’agit d’une imprimante 3D delta, auquel cas le lit d’impression est fixe.
L’imprimante 3D dépose le filament fondu par couches successives, les unes sur les autres, pour former l’objet en 3D. Lorsqu’une couche est complète, le plateau d’impression s’abaisse légèrement sur l’axe Z (vertical) et le processus d’extrusion reprend en déposant une nouvelle couche de filament fondu au dessus de la première. Les couches ainsi créées sont fusionnées entre elles par le plastique qui se solidifie rapidement. L’empilement des couches de matière forme l’objet final.
Le processus d’impression 3D par dépôt de filament fondu Source : KUL3D
La précision et la qualité du résultat final dépendent entre autres de l’épaisseur de couche minimale offerte par l’imprimante 3D (plus les couches sont fines, plus la résolution est importante et le résultat précis).
Les matériaux d’impression 3D compatibles avec les imprimantes 3D à dépôt de fil sont des filaments plastiques sous forme de bobines (en général du PLA ou de l’ABS). Il existe aussi des filaments pour imprimantes 3D dits exotiques, contenant un certain pourcentage de métal ou de bois, ou des propriétés particulières (flexible, transparent, phosphorescent…).
Cette technologie est également compatible avec d’autres matériaux comme le silicone, l’argile, les polymères haute température, entre autres.
Directed Energy Deposition (DED)
L’impression 3D par dépôt d’énergie directe ou « Directed Energy Deposition », parfois notée « Direct Energy Deposition » (DED), est une technique d’impression 3D avancée utilisée uniquement par quelques imprimantes 3D industrielles.
Nous avons choisi de la catégoriser en tant que technologie d’impression 3D par extrusion car avec cette technologie, le matériau d’impression est poussé vers une puissante source d’énergie (en général un laser ou faisceau d’électrons) pour être fondu et fusionné, formant ainsi l’objet.
Une imprimante 3D DED classique est constituée d’une buse montée sur un bras multi-axes qui dépose de la matière fondue sur une surface, où elle se solidifie. Le processus est en cela similaire à celui de l’extrusion, la différence étant que la buse se déplace dans de multiples directions et non pas seulement le long de deux axes. Le matériau d’impression peut être déposé selon n’importe quel angle et est fondu en même temps qu’il est déposé par un laser ou un faisceau à électrons.
La technologie de DED peut être utilisée avec des polymères ou des matériaux céramiques mais est le plus souvent utilisée avec des poudres de métal. L’impression 3D est généralement utilisée pour réparer ou ajouter des composants à des pièces existantes.
Résine et photopolymérisation (SLA, DLP)
Les imprimantes 3D à résine, comment ça marche ?
Les imprimantes 3D à résine, utilisant les technologies SLA ou DLP, sont basées le processus de photopolymérisation. Une résine photosensible contenue dans un réservoir de l’imprimante 3D, est polymérisée (solidifiée) par une source de lumière (laser ou projecteur), couche par couche.
Les imprimantes 3D SLA et DLP utilisent de la résine liquide photosensible, c’est-à-dire des résines qui réagissent en se solidifiant lorsqu’elles sont exposées à certains rayons lumineux.
La stéréolithographie laser utilise, comme son nom l’indique, un laser pour solidifier la résine point par point, tandis que la stéréolithographie à projection de lumière (DLP, LCD, MSLA, …) sont capables de solidifier des couches entières en une seule fois.