Tendances du développement de l'impression 3D (1) Aspect des données La technologie de l'impression 3D est un processus de fabrication numérique, dont les tendances en matière de développement des données se reflètent dans deux domaines : premièrement, l'évolution des méthodes de stratification. Les premières techniques de stratification numérique et la planification des trajectoires déterminent directement l'efficacité et la précision de la stratification physique ultérieure. Actuellement, l'impression 3D utilise principalement un simple découpage planaire, [...]
La technologie de l'impression 3D est un processus de fabrication numérique, dont les tendances en matière de développement des données se reflètent dans deux domaines :
Premièrement, l'évolution des méthodes de stratification. Les premières techniques de stratification numérique et la planification des trajets déterminent directement l'efficacité et la précision de la stratification physique ultérieure.
Actuellement, l'impression 3D utilise principalement un simple découpage planaire, mais des universités telles que l'université de Dayton et l'université de Stanford ont mené des recherches sur le traitement des données en mettant l'accent sur les méthodes de superposition, en essayant de passer du découpage planaire bidimensionnel traditionnel au découpage conforme des surfaces incurvées.
En Chine, ce plan de recherche a été inclus dans les "projets spéciaux clés sur la fabrication additive et la fabrication au laser" du ministère de la science et de la technologie en 2018.
Deuxièmement, la diversification des sources de données. Les modèles 3D destinés à l'impression peuvent être obtenus par des méthodes de modélisation 3D ou d'ingénierie inverse, voire en utilisant des données provenant de tomodensitogrammes et d'appareils photo numériques pour la reconstruction de modèles, ce qui est de plus en plus utilisé dans l'impression 3D. Cependant, il existe une certaine distorsion des données et des recherches supplémentaires sont nécessaires.
Les progrès de l'impression 3D dépendent de plus en plus du développement des matériaux, avec deux tendances importantes :
Premièrement, les matériaux d'ingénierie tissulaire. Basée sur des biomatériaux vasculaires et chargés de cellules, la construction de tissus et d'organes vivants est l'orientation la plus cruciale pour le développement de matériaux dans l'impression 3D et le domaine d'application le plus attendu.
Deuxièmement, les matériaux fonctionnels spéciaux. Les matériaux dotés de propriétés électriques et magnétiques spécifiques, tels que les supraconducteurs et les supports de stockage magnétiques, ainsi que les matériaux fonctionnels à gradient, sont également au cœur de la recherche et du développement de matériaux dans le domaine de l'impression 3D et représentent des applications de pointe dans le domaine industriel.
La structure mécanique des imprimantes 3D est également essentielle, car elle détermine la précision, l'efficacité et le champ d'application, avec deux tendances de développement importantes :
Tout d'abord, l'agrandissement. La limitation de la taille d'impression a toujours été une faiblesse des équipements d'impression 3D.
L'augmentation de la taille de la structure mécanique des imprimantes 3D, tout en maintenant la précision, peut améliorer la capacité de fabrication globale, éviter la segmentation des modèles pour améliorer l'efficacité de l'impression et étendre considérablement le champ d'application. Une analyse des gammes de produits des principales entreprises au cours des dernières années révèle une tendance à l'augmentation des tailles de fabrication.
Une enquête plus approfondie montre que la taille d'impression maximale des différents types d'imprimantes 3D de ces entreprises est limitée à 1 mètre. Certaines entreprises chinoises tentent de mettre au point des imprimantes à grande échelle et ont déjà obtenu des réponses favorables du marché.
Deuxièmement, l'intégration avec les méthodes de fabrication traditionnelles. Il s'agit d'une intégration efficace et approfondie avec les méthodes traditionnelles telles que le moulage, le coulage, le forgeage et l'usinage électrochimique de précision.
Les "projets spéciaux clés sur la fabrication additive et la fabrication au laser" du ministère de la science et de la technologie en 2018 comprenaient de tels projets de recherche, visant à promouvoir le développement de l'impression 3D dans l'industrie manufacturière traditionnelle et à étendre les applications de l'impression 3D elle-même.
Premièrement, l'émergence de modèles de "fabrication distribuée". À mesure que l'impression 3D devient plus rentable et technologiquement accessible, elle tend à se généraliser, avec la possibilité pour chaque foyer de posséder et d'utiliser une imprimante 3D, ce qui en fait un outil et une plateforme pour l'innovation sociale, le crowdfunding et le crowdsourcing. Cela conduit à une nouvelle forme de comportement social et à l'avènement de la "fabrication distribuée".
Par essence, la fabrication distribuée réimagine l'ensemble du processus de production, modifiant profondément la chaîne de l'offre et de la demande, y compris les habitudes de consommation.
Deuxièmement, on assiste à l'émergence d'une philosophie de conception fondée sur la "fonction d'abord". La fabrication traditionnelle, limitée par la complexité des pièces, obligeait les concepteurs à tenir compte de la faisabilité et du coût. Cependant, la conception par impression 3D peut ignorer la complexité du produit et se concentrer uniquement sur les fonctions requises, ce qui permet de créer des produits industriels inimaginables jusqu'à présent.
Au fur et à mesure qu'elles s'accumuleront, elles révolutionneront la fabrication, en particulier pour les composants complexes et précis dans des secteurs tels que l'aérospatiale, la construction navale et l'automobile.
La philosophie de conception "fonction d'abord" de l'impression 3D élargit les possibilités de création et d'innovation pour les concepteurs de produits, qui ne sont pas limités par les processus et les ressources de fabrication traditionnels, et poursuit une création illimitée selon le paradigme "conception égale production" et "conception égale produit".
Il est donc possible d'utiliser des conceptions structurelles optimales sans se préoccuper des problèmes d'usinage, ce qui permet de résoudre les problèmes de fabrication de composants de précision complexes et haut de gamme. Grâce à la forte intégration de la conception, de la fabrication et de l'analyse numériques dans l'impression 3D, cette philosophie permet également de raccourcir considérablement le cycle de développement des nouveaux produits et de réduire les coûts de R&D, ce qui permet de "concevoir aujourd'hui, produire demain".
Troisièmement, la "micro et nano-fabrication" est fortement encouragée. Comme les applications de l'impression 3D s'étendent de la macrofabrication à la microfabrication et à la nanofabrication, cette forme de fabrication jouera un rôle important. Actuellement, les procédés microélectroniques utilisés pour la fabrication de capteurs nécessitent la production de moules et le traitement de plaquettes, ce qui implique un investissement de plusieurs milliards, voire dizaines de milliards, de dollars pour une ligne de production.
Pour les capteurs personnalisés ne nécessitant que quelques centaines d'unités, un investissement initial aussi important rend la production à petite échelle impossible. L'impression 3D peut répondre pleinement aux exigences de ce type de micro et nanofabrication. Des chercheurs de l'université Western au Canada ont mis au point un dispositif implantable qui surveille les conditions cardiaques des patients, fabriqué à l'aide de la technologie de l'impression 3D.
Ce système implantable sans fil intègre un capteur de pression artérielle et un moniteur de pression cardiovasculaire (y compris un stent), avec un volume de seulement 2,475 cm³ et un poids légèrement supérieur à 4 grammes.
À l'avenir, l'impression 3D évoluera vers l'impression 4D et 5D. S'appuyant sur l'impression 3D, ces méthodes prennent en compte les changements au fil du temps, permettant aux modèles de modifier progressivement leur forme et leur fonction, ce qui aboutira à ce que l'on appelle l'impression 4D et 5D.
Premièrement, l'impression 4D permet aux modèles imprimés de changer de forme au fil du temps. En règle générale, le modèle peut être plat au moment de l'impression, mais il se déforme progressivement sous l'influence de la température, des champs magnétiques et d'autres facteurs environnementaux. Les avantages sont notamment la simplification du processus d'impression 3D et l'intégration aisée des modèles imprimés dans les appareils.
Deuxièmement, l'impression 5D permet aux modèles de changer de fonction et de forme au fil du temps après avoir été imprimés. Des expériences avec des os imprimés en 5D ont déjà été couronnées de succès sur des animaux. Si cette technologie arrive à maturité et se généralise, son impact sociétal sera bien plus important que celui de la fabrication intelligente, de l'impression 3D ou de l'impression 4D.
Il est évident que l'impression 3D offre un plus grand potentiel pour les applications entièrement personnalisées ou produites en petites quantités.
Tout d'abord, le domaine de la biomédecine est un excellent exemple d'applications personnalisées. En 2016, le document Guidance on Promoting the Healthy Development of the Pharmaceutical Industry publié par le Bureau général du Conseil d'État soulignait la nécessité de promouvoir l'application des technologies de bio-impression et des puces de données dans les produits implantables.
Le "13e plan quinquennal" pour le développement des industries stratégiques nationales émergentes, publié par le Conseil d'État, souligne l'utilisation de la fabrication additive (impression 3D) et d'autres nouvelles technologies pour accélérer l'innovation et l'industrialisation dans le domaine de la réparation des tissus et des organes, ainsi que dans celui des dispositifs médicaux implantables.
Le 9 février 2021, le ministère de l'industrie et des technologies de l'information a publié un projet de plan de développement de l'industrie des équipements médicaux (2021-2025), qui encourage le développement de nouveaux produits "impression 3D + santé médicale". Il préconise l'avancement de la personnalisation dans les dispositifs médicaux, les équipements de rééducation, les implants et la réparation des tissus mous et met l'accent sur l'application de la technologie de l'impression 3D dans divers secteurs.
Le plan prévoit également l'application de matériaux avancés et de technologies d'impression 3D pour améliorer la biocompatibilité et les propriétés mécaniques de produits tels que les endoprothèses vasculaires, les implants orthopédiques et les implants dentaires.
Il soutient la collaboration intersectorielle, en intégrant les équipements médicaux traditionnels aux nouvelles technologies telles que la 5G, l'intelligence artificielle, l'internet industriel, l'informatique en nuage et l'impression 3D, afin de favoriser le développement d'équipements médicaux intelligents originaux et de promouvoir les services médicaux intelligents et les services de santé en nuage.
Cela montre que, du point de vue de la politique nationale, l'"impression 3D + médecine" est un sujet de recherche brûlant depuis quelques années, qui bénéficie d'une attention et d'un soutien importants, et qui présente un immense potentiel de développement. Il reflète également l'engagement de la Chine en faveur de la santé et du bien-être de sa population.
Deuxièmement, l'aérospatiale représente une production en petites séries. Les composants aérospatiaux sont généralement produits en plus petites quantités que les produits commerciaux, et ils ont tendance à avoir des structures complexes composées d'alliages à haute résistance, difficiles à traiter et coûteux.
Il est clair que l'impression 3D est sur le point d'avoir un impact considérable sur ce secteur. Tant au niveau national qu'international, l'impression 3D suscite de grandes attentes dans ces deux domaines, comme le montre clairement le plan de recherche "Key Special Projects on Additive Manufacturing and Laser Manufacturing" mis en œuvre pendant la période du "13e plan quinquennal".
Il est clair que, sur la base des principes fondamentaux de la fabrication additive, la recherche théorique fondamentale continue à stimuler le développement de la technologie de l'impression 3D. Les cinq domaines scientifiques suivants attirent progressivement l'attention des chercheurs, tant au niveau national qu'international.
La première est l'étude de la solidification forte et non équilibrée en le formage des métaux. Le temps d'interaction entre le matériau et la source d'énergie est extrêmement court au cours du processus d'impression 3D, ce qui entraîne des cycles de fusion et de solidification instantanés.
Pour les matériaux métalliques, ces mécanismes de solidification hors équilibre ne peuvent pas être entièrement expliqués par les théories traditionnelles de solidification à l'équilibre. L'établissement d'une théorie de solidification des métaux dans des conditions de non-équilibre est donc une question scientifique importante à traiter dans le domaine de l'impression 3D.
Deuxièmement, le développement de nouveaux mécanismes d'impression 3D dans des conditions extrêmes. L'humanité ayant de plus en plus besoin d'explorer l'espace, la technologie de l'impression 3D est de plus en plus utilisée dans le domaine de l'exploration spatiale.
Il existe même un désir de réaliser une impression 3D in situ dans l'espace, ce qui rend particulièrement importante l'étude des mécanismes d'impression 3D dans des conditions aussi extrêmes, ainsi que de la durée de vie et des mécanismes de défaillance des composants dans ces environnements de service.
Troisièmement, le mécanisme d'impression 3D de matériaux et de structures à gradient. L'impression 3D est une technologie de fabrication qui intègre la structure et la fonction, permettant des changements continus de gradient dans les matériaux et les structures. composition du matériau et la combinaison de plusieurs structures au sein d'un même composant. La réalisation de ces conceptions pose des défis à la mécanique des matériaux et à la mécanique des structures.
Quatrièmement, l'impression 3D personnalisée de tissus et d'organes et les principes de la régénération fonctionnelle. Qu'il s'agisse de maintenir la vitalité des entités vivantes pendant le processus de fabrication ou d'étudier les mécanismes de recréation des fonctions des organes pendant leur utilisation, cette recherche n'en est qu'à ses débuts et nécessite les efforts collectifs d'experts et de chercheurs dans de multiples disciplines et domaines.
Cinquièmement, les mécanismes de contrôle de l'impression 3D intégrée en termes de formes et de propriétés. L'impression 3D est en train de passer d'une fabrication contrôlée par la forme à une fabrication intégrée contrôlée par la forme et les propriétés. Par exemple, dans l'impression de pièces métalliques, non seulement la forme des pièces peut être imprimée, mais les structures internes complexes peuvent être contrôlées avec une grande précision et une grande résistance, approchant ou dépassant celle des pièces forgées.
À l'avenir, l'impression d'aubes de moteurs d'avion pourrait conduire à la formation de cristaux en colonnes, empilés dans une direction prédéterminée par les concepteurs, ce qui permettrait d'obtenir un produit final aux performances globales supérieures à celles du forgeage.
En résumé, le rôle futur de l'impression 3D devrait subir des changements significatifs, passant d'une forme supplémentaire dans la fabrication à une colonne vertébrale de la fabrication intelligente. Elle redéfinira les processus de fabrication, incitant les professionnels à réévaluer les pratiques existantes dans ce domaine en adoptant l'état d'esprit de l'impression 3D.
Bien que le volume des pièces produites par l'impression 3D n'atteigne pas celui de la fabrication de moules et de l'usinage CNC, la valeur qu'elle crée pourrait dépasser de loin ces méthodes traditionnelles. Les tendances et les perspectives d'application de l'impression 3D sont donc très prometteuses.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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