L’impression 3D et le futur des objets

Par Catherine Jewell, Division des communications, OMPI

Avez-vous déjà été à la recherche d’une lampe sans pouvoir trouver celle qu’il vous fallait ou avez-vous dû attendre des mois une pièce détachée d’un appareil électroménager qui n’est plus fabriqué?  Ces frustrations appartiendront bientôt au passé.  L’impression 3D à haute performance, ou fabrication additive, qui a été mise au point pour la première fois en laboratoire il y a une trentaine d’années, est désormais à la portée des consommateurs.  Il s’agit d’une des innovations les plus intéressantes de ces dernières années, qui offre à tout un chacun, où qu’il se trouve, la possibilité de produire à la demande l’objet dont il a besoin.  

Pour certains, l’impression 3D marque la “démocratisation” de la fabrication, une nouvelle ère de personnalisation en masse qui promet de stimuler l’innovation, d’encourager une meilleure utilisation des ressources et de transformer la façon de fabriquer des objets.  D’aucuns vont même jusqu’à parler de “troisième révolution industrielle”.  Le présent article se penche sur la palette croissante d’applications de cette technique et son énorme potentiel d’innovation.  Il engage en outre une réflexion sur les raisons pour lesquelles les décideurs en matière de propriété intellectuelle doivent garder un œil sur ce domaine.

Qu’est-ce que l’impression 3D?

L’impression 3D, également appelée fabrication additive ou fabrication numérique directe, permet de fabriquer un objet en créant un objet numérique et en l’imprimant en 3D à la maison ou en l’envoyant à un nombre croissant de services d’impression 3D en ligne.  Dans le procédé d’impression 3D, ce modèle numérique, créé à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO), est découpé en représentations bidimensionnelles, qui sont transmises à une imprimante, laquelle commence à accumuler des couches de l’objet l’une après l’autre à partir de sa base.  Des couches de matériel (sous forme liquide, pulvérulente ou filamenteuse) sont déposées sur une “zone d’accumulation” et fusionnées.  Ce procédé additif, qui limite les déchets parce qu’il n’utilise que la quantité de matériau requise pour fabriquer le composant (ainsi que son support), est distinct des procédés classiques de fabrication “soustractifs”, qui consistent à enlever des couches de matériau pour obtenir la forme désirée.

Il existe plusieurs techniques d’impression 3D.  La première technique commerciale d’impression 3D, la stéréolithographie, fut inventée en 1984 par Charles Hull.  Plusieurs autres techniques sont apparues par la suite, dont la modélisation par dépôt de fil en fusion (FDM), le frittage sélectif au laser (SLS) et la matrice PolyJet.  Certaines de ces techniques consistent à faire fondre ou à ramollir des couches de matériau, d’autres consistent à lier des matériaux pulvérulents, d’autres encore à faire gicler ou à faire durcir sélectivement des matériaux liquides.

Le procédé consistant à “faire pousser” des objets couche après couche signifie également que, avec l’impression 3D, il est possible de créer des structures plus complexes que ce que permettent de faire les techniques classiques de fabrication.

Applications actuelles

À l’origine, l’impression 3D a été conçue pour réaliser un prototypage rapide, en fabriquant un ou deux échantillons physiques.  Il permettait aux concepteurs de détecter et de corriger, rapidement et à peu de frais, les défauts de conception, ce qui avait pour effet d’accélérer le processus de fabrication du produit et de minimiser les risques commerciaux.  Selon les analystes commerciaux CSC, le prototypage, qui représente environ 70% du marché de l’impression 3D, reste la principale application commerciale de cette technique.

Néanmoins, des améliorations de la précision et de la rapidité de cette technique, ainsi que de la qualité des matériaux utilisés, ont poussé certains secteurs commerciaux à ne plus limiter l’utilisation de l’impression 3D à leurs laboratoires de recherche-développement (R-D) en l’intégrant à leur stratégie de fabrication.

Cette technique est déjà largement utilisée pour fabriquer des bijoux et d’autres articles de mode sur mesure, pour produire des couronnes, des ponts et des implants dans les laboratoires dentaires, ainsi que dans la production de prothèses et d’appareils auditifs, de façon à offrir aux patients une solution parfaitement adaptée.  L’impression 3D convient particulièrement à la production courte de faible volume et offre aux entreprises une solution plus souple, rentable et rapide par rapport aux méthodes classiques de production de masse.

Utilisation dans les secteurs automobile et aérospatial

Cette technique est également utilisée pour fabriquer des pièces complexes pour les industries électronique, automobile et aéronautique.  De grands constructeurs d’automobiles, tels que GM, Jaguar, Land Rover et Audi, fabriquent depuis des années des pièces d’automobiles en faisant appel à l’impression 3D.  Les leaders du secteur aéronautique que sont Airbus (qui fait partie d’EADS – European aerospace and defense group) et Boeing y ont recours pour améliorer la performance de leurs avions et réduire les coûts de maintenance et de combustible.  Boeing utilise l’impression 3D pour produire des circuits de régulation thermique pour son modèle 787.  Les circuits de régulation thermique exigent généralement la production et l’assemblage d’une vingtaine de pièces différentes mais ils peuvent être réalisés en une seule pièce par impression 3D.  “La fabrication additive par couches est vraiment une technique novatrice qui peut révolutionner le domaine au cours du XXI^e siècle.  Elle peut être utilisée pour une grande variété de matériaux, des métaux aux plastiques – y compris les composites – et permet d’obtenir une production plus rapide et plus efficace.  Elle utilise moins de matières premières et permet de fabriquer des parties plus légères, plus complexes et plus résistantes : en bref, c’est une technique plus légère et plus écologique, qui peut être utilisée dans de nombreux secteurs, allant de l’aviation aux produits de consommation”, explique M. Jean J. Botti, directeur technique chez EADS.

Les composants d’avion réalisés par impression 3D sont 65% plus légers mais tout aussi résistants que les pièces usinées traditionnelles, ce qui permet de réaliser des économies considérables et de réduire de façon significative les émissions de carbone.  Pour chaque kilogramme en moins, les compagnies aériennes économisent environ 35 000 dollars É.-U. en combustible pour la durée de vie d’un avion.

Les concepteurs d’avions ont déjà prévu de réaliser la totalité d’un avion par impression 3D d’ici 2050.  À cet effet, Airbus s’est récemment associée à une compagnie aérienne sud-africaine et au Conseil sud-africain pour la recherche scientifique et industrielle (CSIR) (voir http://tinyurl.com/a9mx6l3) pour étudier l’utilisation de la fabrication additive par couches de poudre de titane pour construire des composants d’avion complexes à large échelle.  Bien que coûteux, le titane est léger, résistant et durable et convient parfaitement à la construction d’avions.  Dans la fabrication traditionnelle, il use fortement les machines-outils car il durcit une fois coupé.  Ces problèmes disparaissent dans un environnement d’impression 3D.

L’impression 3D dans l’espace

Les ingénieurs de la NASA produisent des pièces par impression 3D, structurellement plus solides et plus fiables que les pièces réalisées de façon conventionnelle, pour le système de lancement spatial de l’agence américaine.  Le Mars Rover comprend quelque 70 pièces fabriquées sur mesure par impression 3D.  Les scientifiques étudient également la possibilité d’utiliser des imprimantes 3D dans la station spatiale internationale pour fabriquer des pièces détachées sur place.  Ce qui autrefois relevait de la science-fiction est maintenant devenu réalité.

Applications en médecine

La médecine est peut-être un des domaines d’application les plus intéressants.  L’impression 3D ne sert pas seulement à produire des prothèses et des appareils auditifs, elle est aussi utilisée pour traiter des maladies difficiles à traiter et pour faire avancer la recherche médicale, y compris dans le domaine de la médecine régénérative.  Dans ce domaine, les progrès sont rapides et impressionnants.

En 2002, des chirurgiens de l’hôpital pour enfants Mattel de Los Angeles ont utilisé des modèles réalisés par impression 3D pour planifier une intervention chirurgicale complexe destinée à séparer les siamoises guatémaltèques Maria Teresa et Maria de Jesús Quiej-Alvarez.  Grâce à ces modèles, l’opération a duré 22 heures au lieu des 97 heures normalement prévues pour ce genre de procédure.

En 2011, des chirurgiens de l’hôpital universitaire de Gand (Belgique) ont effectué une des transplantations faciales les plus complexes en faisant très largement appel à l’impression 3D pour planifier et réaliser l’opération.  Des modèles anatomiques et des guides adaptés au patient ont été réalisés par impression 3D afin d’être utilisés avant et durant l’opération (voir http://tinyurl.com/cd2hz2n).

En février 2012, au moyen d’une imprimante 3D, les médecins et les ingénieurs de l’Université de Hasselt ont effectué la première transplantation réussie d’une mâchoire artificielle sur une femme de 83 ans souffrant d’une maladie chronique des os.  “Vous pouvez construire des pièces qu’il est impossible de créer au moyen d’une autre technique”, note Ruben Wauthle, ingénieur en applications médicales chez Layerwise, la société qui a construit l’implant, dans un reportage de la BBC.  “Par exemple, vous pouvez imprimer des structures en titane poreux qui favorisent la croissance osseuse ainsi qu’une meilleure durée de vie”.

La première bio-imprimante 3D du monde

L’impression 3D est même utilisée pour fabriquer de nouveaux tissus humains.  En 2009, Organovo, en partenariat avec Invetech, a créé la première bio-imprimante 3D du monde.  À partir de cellules humaines, le MMX™ produit des tissus 3D pour la recherche médicale, notamment pour l’élaboration de médicaments et des applications thérapeutiques.  À la fin de 2010, Organovo a annoncé qu’elle avait produit les premiers vaisseaux sanguins bio-imprimés.

L’impression 3D fait son entrée sur l’arène publique

Outre ces applications commerciales fascinantes, l’impression 3D commence à s’infiltrer dans la société ordinaire.  “L’ère de la fabrication assistée par ordinateur a commencé”, note l’ancien rédacteur en chef du magazine Wired Chris Anderson, dans son livre récemment publié Makers : la nouvelle révolution industrielle.

Bien que les imprimantes 3D ne fassent pas encore couramment partie du matériel informatique domestique, la dernière génération d’appareils, tels que Cube® de 3D Systems, le Cubex™ ou le Replicator™2X de Makerbot – qui se vendent à des prix allant de 1000 à 3000 dollars É.-U. – font de la fabrication artisanale une solution de plus en plus accessible.

Selon les prévisions d’une étude de Wohlers Associates, la vente de produits et de services obtenus par fabrication additive atteindra les 3,7 milliards de dollars É.-U. en 2015, et grimpera à 6,5 milliards en 2019.

Le mouvement des logiciels libres stimule l’utilisation de l’impression 3D

L’utilisation et le développement de l’impression 3D sont entretenus par le dynamisme du mouvement des logiciels libres.  Par exemple, l’initiative RepRap (abréviation de replicating rapid prototyper), fondée en 2005 par M. Adrian Bowyer à l’Université de Bath (Royaume-Uni), a permis de produire une imprimante 3D à bas coût capable d’imprimer la plupart de ses propres composants.  Les dessins et modèles du projet, y compris la machine elle-même, sont sous une licence libre (la licence publique générale GNU).

L’un des objectifs de l’initiative est de mettre les systèmes de fabrication assistée par ordinateur à bas prix à la disposition des particuliers partout dans le monde, pour que ces derniers puissent fabriquer des produits complexes avec un faible investissement en capital.  Un prêt-à-monter RepRap coûte environ 500 dollars É.-U.  Étant donné que la licence du dessin de l’imprimante RepRap est libre, n’importe qui peut le modifier, l’améliorer, le fabriquer et le vendre.  Les analystes commerciaux CSC indiquent que le “taux d’innovation du RepRap et de ses dérivés s’accroît plus rapidement que les que les imprimantes 3D commerciales équivalentes”.

De même, le projet Fab@Home vise “à faire entrer la fabrication personnelle chez vous”.  Le site Web du projet explique que la communauté comprend des centaines d’ingénieurs, d’inventeurs, d’artistes, d’étudiants et d’amateurs – “aussi bien des personnes qui peuvent développer la technologie que des personnes qui souhaitent l’utiliser pour fabriquer des pièces uniques”.

Apparition de plates-formes d’impression 3D en ligne

Grâce au nombre croissant de plates-formes d’impression 3D en ligne, telles que la plate-forme Thingiverse de Makerbot, des particuliers peuvent transférer et partager leurs dessins ou modèles ou télécharger des dessins ou modèles à des fins de fabrication.

Pour les personnes n’ayant pas un accès direct à l’impression 3D, un nombre croissant de services en ligne sont disponibles.  Shapeways et Sculpteo, par exemple, proposent des plates-formes permettant à des particuliers de partager et de réaliser leurs idées en donnant accès à des logiciels et des imprimantes 3D de pointe.  À partir d’août 2012, Shapeways comptait près de 7000 magasins et plus de 16 000 membres, qui avaient imprimé plus d’un million de produits.

Une suite d’applications logicielles, telle qu’Autodesk 123D, est également disponible pour les personnes souhaitant concevoir et personnaliser des objets sur leurs ordinateurs domestiques.

Une nouvelle ère de personnalisation de masse

L’impression 3D annonce une nouvelle ère de personnalisation de masse.  En janvier 2013, Nokia a annoncé qu’elle mettait les fichiers imprimables en 3D de son étui du modèle Lumia 820 à la disposition des clients, de sorte qu’ils puissent créer leurs propres dessins et les imprimer sur n’importe quelle imprimante 3D.  Bien qu’il soit peu probable, ainsi que le fait remarquer le professeur du MIT Neil Gershinghoff, que les consommateurs impriment ce qui est facilement disponible dans les magasins.  Lorsqu’il s’agit de fabriquer des objets personnalisés, des gadgets ou des pièces irremplaçables, les possibilités des applications d’impression 3D ne connaissent pas de limites.

Libérer le potentiel d’innovation

Pour que cette technique de fabrication atteigne son plein potentiel, un certain nombre d’obstacles techniques doivent encore être franchis, en particulier en ce qui concerne le coût des matériaux, la qualité des productions, les limitations de taille et la capacité de production.  Cela étant dit, ainsi que le fait observer la société de conseil CSC, “l’impression 3D fournit une plate-forme de collaboration qui accélère l’innovation et renforce la perturbation du monde matériel, tout comme l’Internet a stimulé la collaboration, l’innovation et renforcé la perturbation du monde matériel”.

Chris Anderson explique que “lorsqu’une technique peut être réalisée sur ordinateur, elle ne devient pas seulement moins chère, plus petite, meilleure, de plus en plus omniprésente;  elle est également utilisée de différentes façons”.  Elle devient “un vecteur d’idées qui deviennent différentes choses, … des entreprises, … des mouvements.  Et c’est maintenant que ça se passe”.

Ce qu’annonce l’impression 3D, et qu’on appelle la “démocratisation” de la fabrication, présente un potentiel énorme de libération de la créativité des masses et de stimulation de la croissance économique.

La fabrication traditionnelle exige un niveau élevé d’investissement en capital et des volumes importants de gammes de produits.  Grâce à une réduction sensible du capital de départ, des coûts et des risques commerciaux, l’impression 3D permet à chacun de participer plus facilement au processus de fabrication et de tester ses idées.

Toutes les répercussions de son adoption généralisée ne sont pas encore claires mais en faisant de la “fabrication sur demande” une possibilité réaliste, l’utilisation de l’impression 3D pourrait transformer le paysage mondial en matière de fabrication et de commerce.  Elle peut diminuer la nécessité de maintenir de stocks et ainsi réduire considérablement les frais d’entreposage et de transport, simplifier les chaînes d’approvisionnement et réduire de manière significative l’empreinte carbone de la fabrication.

Défis en matière de propriété intellectuelle

L’impression 3D pose un certain nombre de défis en matière de réglementation relative à la protection de la propriété intellectuelle.

De la même manière que la numérisation des contenus créatifs a entraîné des changements dans les industries de la création et alimenté les tensions autour du droit d’auteur en vigueur, il se pourrait que l’impression 3D suscite des débats analogues.  Toutefois, étant donné l’échelle mondiale de la fabrication, les enjeux pourraient être plus importants.

L’impression 3D est à la fois une technique de fabrication et une technologie numérique;  c’est pourquoi elle facilite la copie non autorisée d’objets.  Comme d’autres fichiers numériques, les plans de CAO sont faciles à copier et difficiles à tracer.  La copie est également facilitée par l’existence de numériseurs 3D à bas prix, qui permettent de numériser un produit standard immédiatement disponible, de créer un plan 3D et de le distribuer en ligne.

Ainsi que le Big Innovation Centre l’a indiqué dans une étude, la capacité de copier des produits physiques facilement et à bas prix pourrait diminuer le nombre de mesures d’incitation permettant aux entreprises d’investir dans la recherche-développement et la conception.  Par ailleurs, l’évolution continue de l’utilisation de la technologie dépendra de l’ouverture et de la capacité à combiner les conceptions.  La nécessité d’atteindre un équilibre entre ces intérêts
– en s’assurant que des mesures d’incitation et des récompenses ont été mises en place pour ceux qui investissent dans de nouvelles idées, sans entraver l’innovation et l’esprit d’ouverture dans l’utilisation des dessins et modèles industriels en ligne – sera déterminante pour permettre aux décideurs en matière de propriété intellectuelle d’aller de l’avant.  Les mécanismes qui facilitent la concession sous licence et le partage légitime de fichiers relatifs à la conception joueront un rôle de premier plan pour relever ce défi.

Ce bref rappel de certaines applications prometteuses pour lesquelles l’impression 3D est utilisée démontre que le “changement de paradigme dans la fabrication”, dont tant de personnes parlent, est en bonne voie.  Les répercussions de l’évolution et de l’utilisation continues de l’impression 3D sont considérables et promettent d’avoir un effet radical sur la manière de fabriquer les choses et de faire des affaires.  Si, en matière de progrès technologiques, les 20 dernières années ont été passionnantes, les années à venir pourraient bien l’être davantage encore.