Impression 3D : les concepteurs et les développeurs doivent-ils en tenir compte ?

L'impression 3D n'est pas une nouvelle technologie, mais les progrès récents dans plusieurs domaines l'ont rendue plus accessible aux amateurs et aux entreprises. Comparé à d'autres secteurs technologiques, il s'agit encore d'une petite industrie, mais la plupart des analystes s'accordent à dire qu'elle a beaucoup de potentiel. Mais où est le potentiel pour les designers indépendants et les ingénieurs logiciels ?

Un collègue Toptaler m'a demandé cela il y a quelques semaines, car j'avais l'habitude de couvrir l'impression 3D pour quelques publications. Je n'ai pas eu de réponse claire. Je ne pouvais pas simplement énumérer les opportunités commerciales, car il s'agit d'une industrie de niche avec un avantage limité et un attrait pour le marché de masse. De plus, l'impression 3D n'est pas encore une technologie mature, ce qui signifie qu'il n'y a pas beaucoup de standardisation et de ressources en ligne pour les concepteurs et développeurs désireux de franchir le pas.

Cependant, cela ne signifie pas qu'il n'y a pas d'opportunités commerciales; ils existent, mais ils sont limités. Dans cet article, je vais essayer d'expliquer ce qui rend l'industrie de l'impression 3D différente et ce à quoi les freelances peuvent s'attendre à l'avenir.

Impression 3D pour les amateurs et les entreprises

Tout d'abord, je pense qu'il faut faire la distinction entre deux niches très différentes dans l'industrie de l'impression 3D ou de la fabrication additive.

À une extrémité du spectre, vous avez d'innombrables passionnés de matériel, développeurs de logiciels et concepteurs travaillant sur des projets open source. Le projet RepRap incarne cette approche allégée et ouverte mieux que toute initiative similaire dans l'industrie. RepRap signifie Replicating Rapid Prototyper et il s'agit essentiellement d'une initiative visant à développer des imprimantes peu coûteuses basées sur la technologie de fabrication de filaments fusionnés (FFF). Il s'agit essentiellement de la technologie Fused Deposition Modeling (FDM), mais RepRap ne peut pas utiliser ce nom car il a été commercialisé par Stratasys. Lorsque le brevet de la société sur FDM a expiré, FDM a été adopté par la communauté open source, bien que sous un nom différent.

RepRap a eu dix ans cette année, les premières imprimantes faisant leur apparition quelques années après leur lancement. En 2010, le projet RepRap en était à sa conception de troisième génération et la communauté RepRap a connu une forte croissance au cours des prochaines années.

Une caractéristique remarquable qui ressort de l'initiative RepRap est l'auto-réplication ; le but ultime du projet est de créer une imprimante 3D qui finira par se répliquer. Nous n'en sommes pas encore là, mais certaines conceptions RepRap permettent aux utilisateurs d'imprimer les trois quarts de l'imprimante. Vous ne pouvez toujours pas imprimer d'extrudeuses et de servomoteurs électriques, mais c'est un début.

Cependant, RepRap n'a jamais été censé être un succès commercial. Il a été créé comme une initiative axée sur la technologie, il n'a donc jamais été centré sur le consommateur. Il s'agissait de lancer diverses technologies et de les proposer au marché des amateurs à faible coût. RepRap n'a jamais été censé être une vache à lait.

Alors qu'en est-il des grandes entreprises? Un certain nombre de pionniers de l'industrie sont déjà devenus des poids lourds de l'impression 3D. Ceux-ci incluent Stratasys, 3D Systems, Ultimaker et Printbot. Les imprimantes RepRap détiennent toujours une part de marché importante et elles ne sont pas évincées par des plates-formes propriétaires. En fait, la plupart des fournisseurs n'ont d'autre choix que d'adopter certaines normes RepRap afin de garantir la compatibilité.

Cependant, la simple liste des entreprises d'impression 3D et leur part de marché respective ne donne pas une image complète. Par exemple, RepRap est limité à la technologie FFF, qui est la technologie d'impression 3D la plus répandue aujourd'hui. Le problème est que les imprimantes FFF ont de nombreuses limitations, ce qui signifie qu'elles ne peuvent pas être utilisées dans de nombreuses industries.

Différentes technologies pour différentes applications

Pour avoir une meilleure idée de ce qui existe, nous devons examiner les technologies d'impression 3D actuellement disponibles. Cela peut ne pas sembler intéressant si vous n'êtes pas un geek du matériel, mais il est important de comprendre la différence entre les différentes technologies d'impression (et j'essaierai de garder cette section aussi brève que possible).

• Le FFF/FDM repose généralement sur un « filament » thermoplastique chauffé par l'extrudeuse de l'imprimante avant d'être déposé sur le lit d'impression. La plupart des imprimantes FFF utilisent des filaments en plastique ABS et PLA, mais les derniers modèles utilisent également des filaments en polycarbonate (PC), en polyéthylène haute densité (HDPE) et en polystyrène à fort impact (HIPS). Certains utilisent même du fil de métal au lieu de plastique, tandis que d'autres utilisent de la sciure de bois pour créer des objets en quasi-bois. Certains peuvent même imprimer de la nourriture, du chocolat, des pâtes, etc.

• Les imprimantes granulaires sont des bêtes différentes car leur matériau n'est pas un filament mais, généralement, du métal en poudre. Ces imprimantes ont tendance à être basées sur la technologie laser (bien qu'elles n'aient pas grand-chose en commun avec votre imprimante laser de bureau). Ils utilisent un laser puissant pour fusionner sélectivement des matériaux granulaires. Il existe plusieurs façons de procéder : les imprimantes à frittage sélectif par laser (SLS) fusionnent de petites particules métalliques par le processus de « frittage », tandis que les imprimantes à fusion sélective par laser (SLM) font fondre la poudre. Les imprimantes à fusion par faisceau d'électrons (EBM) frappent la poudre métallique avec un faisceau d'électrons dans un environnement sous vide

• Les imprimantes stéréolithographiques (SLA) transforment la matière première liquide en solides à l'aide de la lumière. Ces imprimantes présentent un certain nombre d'avantages, en termes de précision et de capacité à produire des objets complexes en un seul passage, car les impressions SLA ne nécessitent pas d'entretoises ou de supports, dans la plupart des cas. L'inconvénient est que le choix des matériaux est très limité. Ce sont généralement des polymères liquides exotiques et ne peuvent pas être utilisés pour imprimer du métal ou du chocolat.

Il existe quelques autres technologies d'impression 3D, mais je ne vois aucun intérêt à toutes les couvrir aux fins de cet article de blog.

Le défi

Alors pourquoi ne jouons-nous pas tous avec des imprimantes 3D dans nos maisons et nos bureaux ? Pourquoi ne pouvons-nous pas imprimer des objets de la même manière que nous imprimons des factures, des feuilles et des e-mails ? L'impression 3D ne se généralisera pas de si tôt, et voici quelques défis et problèmes qui doivent être résolus en premier.

• Matériel d'un coût prohibitif
• Base d'utilisateurs limitée (par rapport aux imprimantes traditionnelles)
• Technologie immature
• Vitesse
• Prix/performance, ROI
• Les coûts de fonctionnement
• Efficacité énergétique

À chaque nouvelle génération, les imprimantes 3D d'entrée de gamme deviennent un peu moins chères, mais elles sont encore trop chères pour la plupart des utilisateurs potentiels. C'est une chose d'acheter une imprimante à 200 $ pour votre maison ou votre bureau, vous finirez probablement par l'utiliser beaucoup, mais ce n'est pas nécessairement le cas des imprimantes 3D. Combien de personnes ont besoin d'imprimer des documents et combien ont besoin d'imprimer des objets 3D ?

La technologie s'améliore, mais de sérieuses limitations persistent. Les imprimantes 3D sont encore lentes, sensibles à toutes sortes de conditions défavorables, leurs « lits d'impression » ont tendance à être petits (surtout sur les modèles bon marché), le choix des matériaux est limité et le filament peut être coûteux.

La raison pour laquelle les entreprises ne font pas la queue pour acheter des imprimantes 3D est simple : le retour sur investissement. Les imprimantes 3D sont encore loin des méthodes de fabrication traditionnelles en termes de vitesse, de coût et d'efficacité énergétique. Cela ne signifie pas que l'industrie ne passera pas à l'impression 3D à l'avenir ; nous assistons déjà à des développements pionniers, mais les imprimantes 3D ne rendront pas bientôt obsolètes les techniques de fabrication traditionnelles.

Pourtant, il y a quelques exceptions notables. Il y a quelques années, General Electric a entrepris de concevoir et de construire une nouvelle buse d'injection de carburant pour son turbosoufflante CFM LEAP de nouvelle génération, qui devrait se retrouver dans des centaines d'avions de ligne. GE a finalement opté pour des buses en titane imprimées en 3D. La raison? La nouvelle buse imprimée en 3D était 25 % plus légère que la conception précédente et se composait d'une seule pièce au lieu de 18 sur l'ancienne buse. La durabilité devrait être cinq fois meilleure. Ces buses seront utilisées dans les moteurs fabriqués en 2016 et au-delà. GE espère produire plus de 100 000 pièces imprimées en 3D d'ici la fin de la décennie.

Une équipe d'ingénieurs de GE a décidé de créer une réplique fonctionnelle de l'un des moteurs de l'entreprise, en utilisant une nouvelle technique d'impression granulaire appelée "fusion laser du métal".

Pour faire court, non, vous n'achèterez pas de sitôt des jouets imprimés en 3D pour 2 $, mais vous volerez sur des avions de ligne propulsés par des moteurs plus efficaces et plus fiables, rendus possibles par l'impression 3D. Il n'y aura pas de chocolat imprimé en 3D dans votre centre commercial local, du moins pas encore, mais votre dentiste vous dira que ce n'est probablement pas une bonne idée de manger du chocolat de toute façon, juste après avoir obtenu votre prothèse imprimée en 3D.

Il existe un autre moyen : les services d'impression 3D

Donc, vous avez une idée géniale pour un produit, mais vous avez d'abord besoin d'une petite série de prototypes. Qui appelles-tu ? Achetez-vous un tas d'imprimantes 3D? Ou envoyez-vous simplement la conception à un service d'exécution qui vous expédiera les modèles terminés en quelques jours ?

Un service d'impression 3D semble être un choix sans tracas, et c'est la direction que l'industrie semble prendre. De nombreuses équipes d'impression 3D ont lancé des services similaires et collaborent avec d'autres leaders de l'industrie. Un exemple de cette relation symbiotique est Stratasys Direct Express, qui s'est récemment associé à Adobe et a permis l'intégration de Photoshop CC, offrant l'impression 3D couleur aux designers professionnels.

Google et Motorola n'ont pas investi des milliards dans leurs propres installations d'impression 3D lorsqu'ils ont dévoilé le concept de smartphone modulaire Ara. Ils ont sous-traité la fabrication des modules à 3D Systems. Cet exemple souligne également la flexibilité potentielle de la fabrication additive : Ara est basé sur un exosquelette en alliage rempli de divers modules standardisés qui pourraient être imprimés en 3D. Comme les modules doivent se connecter à l'exosquelette, 3D Systems a développé une nouvelle technique de dépôt de matériaux conducteurs dans les composants imprimés, très éloignée du prototypage d'imprimante 3D traditionnelle.

Les services d'exécution 3D proposent généralement plusieurs technologies d'impression différentes, du matériel et une assistance de pointe. Pourquoi s'embêter à acheter une imprimante à 2 000 $ alors que vous pouvez simplement envoyer vos créations à des professionnels et utiliser l'une des nombreuses imprimantes professionnelles, dont certaines coûtent plus cher que chez vous ? Et n'oublions pas l'économie d'échelle ; les grands services peuvent et doivent offrir un rapport qualité/prix supérieur à celui de l'impression en interne.

À mon avis, c'est la voie à suivre. Ce modèle commercial simple a beaucoup d'avantages, et il est difficile de voir comment les particuliers et les petites entreprises pourraient rivaliser sur un pied d'égalité. En termes de prix, de taille et de consommation d'énergie, une imprimante 3D professionnelle a plus en commun avec une presse à imprimer que votre LaserJet, et combien de personnes ont besoin d'une presse à imprimer à la maison ou au bureau ?

(L'une de mes bêtes noires est le nom lui-même. Lorsque vous mentionnez une "imprimante" dans une conversation, la plupart des gens pensent à leur imprimante à jet d'encre domestique ou à leur imprimante de bureau. S'il est vrai que les imprimantes 3D sont des imprimantes, elles n'ont pas grand-chose en commune avec les imprimantes traditionnelles, et cette distinction est souvent perdue pour les profanes. Si nous continuions à les appeler des machines de fabrication additive, cela ne serait pas un problème.)

Impression 3D pour les concepteurs et les développeurs

Qu'est-ce que tout cela signifie pour le concepteur visuel ou l'ingénieur logiciel moyen ? L'impression 3D va-t-elle changer notre façon de faire des affaires ? Cela permettra-t-il un prototypage rapide ou même une fabrication à petite échelle bon marché ? Quand allons-nous cuisiner des pâtes Barilla imprimées en 3D pour le déjeuner ?

Je crains qu'il n'y ait pas de réponse simple car vous pouvez l'examiner sous plusieurs angles. Tout dépend de vos affinités personnelles et de vos objectifs.

Les concepteurs et les développeurs peuvent s'impliquer de différentes manières dans l'impression 3D :

• Participation à des initiatives open source (RepRap)
• Utilisation d'outils de conception professionnels (Adobe CC)
• Intégration des fonctionnalités d'impression aux applications (plateforme d'impression 3D Spark d'Autodesk)
• Utilisation des services d'impression 3D
• Intégration de services d'exécution d'impression 3D

La plupart des initiatives open source sont destinées aux utilisateurs individuels et amateurs. Ils sont également précieux pour l'éducation et peuvent favoriser de nombreuses innovations. L'inconvénient est qu'il n'y a pas beaucoup d'argent à gagner dans ce créneau. C'est surtout un travail d'amour. La bonne nouvelle est que la barre est placée assez bas ; vous pouvez obtenir une imprimante d'entrée de gamme et des charges de filaments en plastique pour moins de 500 $. Vous pouvez obtenir une imprimante 3D bon marché et relativement bonne pour le prix d'un bon smartphone.

L'intégration des capacités de conception et d'impression 3D pourrait s'avérer plus lucrative à long terme. Les concepteurs n'ont pas à faire tout leur possible pour expérimenter l'impression 3D, car elle est déjà accessible via les principaux progiciels. Tôt ou tard, un client commencera à poser des questions sur les prototypes imprimés en 3D ou la production à petite échelle, donc selon votre créneau, il pourrait être judicieux de faire un peu de recherche.

Nous nous retrouvons avec l'éléphant dans la pièce : les services d'impression 3D.

Externalisation de l'impression 3D via le cloud

À première vue, les services d'exécution semblent être la réponse à tout. Ils mettent les services professionnels à la portée des particuliers, des startups et des petites entreprises qui, autrement, ne pourraient pas se permettre certaines techniques d'impression, comme le frittage laser ou la stéréolithographie. Ils sont pratiquement le seul moyen viable d'intégrer l'impression 3D dans une gamme de services différents, principalement via des applications mobiles et Web basées sur le cloud.

Alors quels sont les inconvénients ? Il n'y en a pas beaucoup.

Les services d'exécution à l'échelle industrielle sont un concept relativement nouveau. Cependant, la disponibilité est encore limitée. Bien sûr, si vous avez besoin d'imprimer quelques dizaines de prototypes en titane en Californie, cela ne posera pas de problème, mais que se passe-t-il si vous devez faire exactement la même chose au Botswana ou à Bahreïn ? Ce sera plus cher car les conceptions fabriquées devront être expédiées dans le monde entier. La fabrication sur place semble bonne, mais elle pourrait s'avérer d'un coût prohibitif

Bien sûr, la fabrication sur place a beaucoup à offrir ; Si une entreprise a besoin d'itérer et de réviser rapidement des conceptions, la rapidité et la commodité du prototypage rapide d'imprimantes 3D ne peuvent être égalées par des services d'impression. C'est un créneau relativement restreint, mais il n'est en aucun cas petit. Bureaux d'études, architectes, ingénieurs, divers services de maintenance, logistique, éducation ; ils ont tous besoin d'imprimantes sur place. De plus, si vous avez besoin d'une pièce de rechange imprimée sur la Station spatiale internationale, vous ne pouvez pas exactement appeler Amazon. Sur une autre note, l'impression 3D dans l'espace aurait rendu les exploits de l'équipage d'Apollo 13 moins impressionnants. Pas étonnant que la NASA les expérimente déjà dans l'espace.

Il convient de noter que les imprimantes 3D peuvent être utilisées pour imprimer plus que des pièces de rechange et des composants passifs. Ils peuvent également être utilisés pour imprimer des composants électriques fonctionnels, allant des haut-parleurs aux cartes de circuits imprimés (PCB). Le prototypage de PCB est un créneau intéressant car les méthodes traditionnelles sont lentes et coûteuses. Une imprimante 3D avec une bobine de filament conducteur peut généralement faire l'affaire sur site, dans les délais et dans les limites du budget.

Pourtant, en ce qui concerne les applications grand public, il y a de fortes chances que cet espace soit dominé par de grands acteurs comme Amazon, Stratasys, 3D Systems et peut-être Hewlett-Packard. Au fur et à mesure que l'industrie mûrit, la disponibilité mondiale ne devrait plus être un problème, les prix baisseront et le nouveau matériel offrira de nouvelles opportunités et une qualité supérieure.

À mon avis, le plus gros problème auquel l'industrie est actuellement confrontée est le manque de cas d'utilisation. Bien sûr, cela semble pratique, mais à qui s'adresse-t-il ? Comment mettre les produits imprimés en 3D entre les mains des consommateurs grand public ?

Cette question n'est pas aussi simple qu'il n'y paraît car la fabrication additive a fait fureur ces dernières années. Essayez simplement de rechercher sur Google des cas d'utilisation d'impression 3D et vous verrez ce que je veux dire : l'impression 3D semble être la réponse à tous nos problèmes, mais en réalité, la plupart d'entre elles sont du battage médiatique, basé sur des projections à long terme.

J'ai donc décidé d'inclure des recherches provenant d'une source impartiale : l'Office de la propriété intellectuelle du Royaume-Uni. L'article, intitulé L'état actuel et l'impact de l'impression 3D dans le secteur industriel : une analyse de six études de cas est approfondi et examine l'impact potentiel de la fabrication additive sur plusieurs industries : automobile, appareils électroménagers, pièces de rechange, produits personnalisés, ingénierie inverse. , jeux et graphiques générés par ordinateur.

Les produits personnalisés et les conceptions dérivées de CGI se distinguent comme les cas d'utilisation les plus réalistes pour les pigistes, alors regardons de plus près.

Fabrication personnalisée

L'un des principaux avantages de la fabrication additive par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles est la possibilité de produire des conceptions uniques ou de petites séries. Combien de temps faudrait-il pour créer un jouet en plastique en utilisant la fabrication traditionnelle ? Vous auriez besoin de beaucoup d'équipement, de matrices coulées et ainsi de suite. Avec l'impression 3D, il suffit de sélectionner une image filaire et de cliquer. Cela signifie qu'il est possible de produire des conceptions uniques, adaptées aux besoins des différents clients.

La fabrication additive peut permettre aux consommateurs moyens de concevoir et de personnaliser divers produits avant de faire un achat. Cela peut être fait à l'aide d'applications de bureau professionnelles, ou même d'applications Web et mobiles. Personne ne s'attend à ce que le consommateur moyen conçoive un article à partir de zéro, mais même un enfant pourrait personnaliser un jouet à l'aide d'une application mobile simplifiée.

Une telle plate-forme devrait inclure de nombreuses options de couleurs ou de décalcomanies différentes, ainsi que les structures filaires 3D elles-mêmes. De plus, il devrait être possible de créer des conceptions modulaires. Ainsi, si les enfants personnalisent une petite voiture ou une poupée, ils pourraient choisir entre des dizaines de composants différents, mais compatibles, qui seraient assemblés pour fabriquer le produit.

Oui, au lieu de personnaliser les environnements virtuels dans les applications et les jeux, les enfants nés aujourd'hui pourront personnaliser leurs vrais jouets ou transformer leurs personnages de jeux vidéo en figurines d'action. Cela vous donne un peu envie d'être né quelques décennies plus tard, n'est-ce pas ?

Voici quelques cas d'utilisation d'impression 3D personnalisés avec un attrait pour le marché de masse :

• Jouets
• Bijoux personnalisés
• Produits de bricolage et de loisirs
• Accessoires de mode et gadgets
• Appareils électroménagers et articles ménagers personnalisés

Cependant, les produits n'ont pas besoin d'être personnalisés pour correspondre à vos goûts ; ils pourraient également être conçus pour correspondre parfaitement à votre physique, comme un costume sur mesure. Ces produits n'ont peut-être pas l'attrait du marché de masse des jouets personnalisés, mais cela ne les rend pas moins excitants. En fait, je les trouve beaucoup plus intéressantes qu'une broche ou une poupée personnalisée.

Voici quelques exemples :

• Dentisterie numérique
• Chirurgie (maquettes pour la formation, articulations de remplacement imprimées en 3D)
• Prothèses avancées
• Équipements et vêtements sur mesure pour diverses professions
• Équipements et accessoires de sport

Bien sûr, ces applications n'ont pas à peu près le même attrait émotionnel que celles que j'ai mentionnées plus tôt, mais dans l'ensemble, elles pourraient être tout aussi lucratives et importantes, surtout si l'on considère les applications médicales.

Les implications et l'avenir de l'impression 3D

Alors, quelle est la ligne de fond? L'impression 3D va-t-elle changer le paysage industriel ? Est-ce vraiment la prochaine révolution industrielle ?

L'impression 3D, ou fabrication additive, est une technologie très prometteuse, mais immature. Il a clairement beaucoup de potentiel, mais nous sommes encore loin de le réaliser, même si l'industrie connaît une forte croissance.

En fait, le marché des services, du matériel et des matériaux d'impression 3D connaît une croissance saine à deux chiffres depuis des années. La plupart des analystes s'attendent à ce que le marché double d'ici la fin de la décennie, dépassant la barre des 10 milliards de dollars. Cela peut sembler beaucoup d'argent, mais mettons les choses en perspective : les mêmes analystes s'attendent à ce que les expéditions annuelles de smartphones pour 2015 se situent entre 1,3 et 1,4 milliard d'unités.

Au-delà du battage médiatique, l'impression 3D est une technologie avec un attrait limité, du moins à ce stade précoce. Cependant, nous continuerons à voir la croissance et le développement dans un avenir prévisible, soutenus par de nouveaux cas d'utilisation. Bon nombre de ces cas d'utilisation et modèles commerciaux seront basés sur des services d'exécution d'impression 3D. C'est une bonne nouvelle pour les petites entreprises et les particuliers, car ils pourront utiliser l'infrastructure tierce avec une relative facilité. Ils n'auront pas à acheter des dizaines d'imprimantes, ils intégreront simplement quelques API à leur plateforme et c'est tout.

À court terme, c'est l'avenir de l'impression 3D, du moins du point de vue du marché de masse.