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La Productique et sa Culture : Stéréolithographie, article du Monde du 25 avril 1990



Le Monde, Mercredi 25 avril 1990

TECHNOLOGIES


Des maquettes industrielles en quelques heures
Le laser se fait sculpteur

Un nouveau procédé d'élaboration d'objets en trois dimensions qui utilité la lumière laser et tes matériaux plastiques pourrait révolutionner les méthodes de conception des pièces dans l'industrie.
Fils naturel des théories d'Einstein, le laser, fin pinceau de lumière découvert en 1960, n'en finit pas de révolutionner aussi bien la vie quotidienne que l'industrie. Tandis que, dans les discothèques, il se charge de la musique et des effets lumineux, il rend la vue aux aveugles dans les hôpitaux. En géologie, il mesure l'écartement des plaques tectoniques. Avec l'holographie, il crée des images en suspens dans l'air.
Sa vitesse accélère les télécommunications. Dans l'industrie, enfin, la lumière laser devient l'outil à tout faire : elle mesure, découpe, soude, marque, traite les surfaces. Impalpable, elle effeure pourtant les formes en trois dimensions et les transmet, point par point, à l'ordinaicur qui les reproduit sur son écran.
L'une des rares cordes manquantes à son arc : la génération d'objets à l'état solide. C'est chose faite depuis quelques mois avec la stéréolithographie. À partir d'un modèle en volume ou du dessin issu de l'imagination d'un concepteur, le laser sculpte en quelques heures une reproduciion ou un original avec une remarquable fidélité.
Ce résultat prend de vitesse les rêves de la plupart des industriels, qui n'osent encore y croire, multiplient les essais et s'inquiètent des bouleversements qu'une telle technologie va introduire dans l'organisaiion des entreprises. Mais les performances de la stéréolithographie. déjà exploitées industriellement aux États-Unis, devraient rapidement convaincre les plus sceptiques. Qu'il s'agisse de l'architecte qui veut obtenir la maquette en trois dimensions d'une façade d'immeuble ou d'un agencement d'intérieur. Du chirurgien qui, pour poser des prothèses de hanche, n'est plus contraint à limer l'intérieur du fémur de son patient... Après une scannérisation de la cuisse, la stéréolithographie fournit une reproduction de l'exténeur et de l'intérieur de l'os qui permet au prothésiste de lui fournir une pièce sur mesure. De l'ingénieur qui, pour mettre au point une forme particulière de pale d'hélice de ventilateur, en obtient une reproduction rapide par palpage laser et stéréolithographie. Ou du créateur de flacon de parfum, qui ne présente plus à son patron une série de dessins en perspective mais une collection de véritables objets que l'on peut toucher, palper, caresser...
À l'origine de cette innovation pour faciliter le processus lent, complexe et coûteux qui sépare l'idée de la réalisation industrielle, une découvcnc simple : certains plastiques à l'étal liquide ont la propriété de se solidifier sous l'action d'une lumière ultraviolette. Encore fallait-il maîtriser celle • polymérisation. L'idée de recourir au faisceau laser remonte aux années 60. Elle a trouvé ses premières applications dans l'imprimerie dix ans plus tard, lorsque le Wall Street Journal a utilisé le procédé pour reproduire en relief le texte de ses articles sur les plaques introduites dans les rotatives.
En 1984, l'application industrielle s'accélère. Presque simultanément, des Français (voir encadré) et des Américains déposent les brevets qui devaient aboutir, en avril 1988, à la commercialisation par l'Américain Robert Hull, fondateur de 3D Systems, de la première machine industrielle de stéréolithographie. Elle est aujourd'hui quasiment seule à être commercialisée sur le marché mondial, où elle dispose de près de deux cents commandes dont cent cinquante déjà réalisées. Elle utilise un rayon laser ultraviolet (hélium cadmium) qui solidifie par tranches successives le plastique liquide jusqu'à l'obtention d'un objet complet (voir schéma).
Spectra Physics, filiale du groupe suisse Ciba Geigy, détient actuellement l'exclusivité de la représentation de la machine, baptisée SLA, pour l'Europe et l'Extrême-Orient. Mais Ciba Geigy, qui produit le polymère utilisé par la stéréolithographie et qui possède par ailleurs 37 % du capital de 3D Systems. cherche aujourd'hui à vendre Spectra Physics. D'où une incertitude sur la représentation future de la machine en Europe. Olivier de Witte, directeur des ventes de machines SLA à Spectra Physics France, indique que « les machines sont produites au rythme d'une tous tes deux jours en ce moment ». Introduites en France en avril 1989, les SLA démarrent pourtant lentement : cinq commandes dont quatre installées. On en trouve trois dans des sociétés de services (Laser Vision Systems à Saclay, CIGS à Chatellerault et Creaform à Lyon) et une dans une grande entreprise nationale.
Olivier de Witte explique cette lenteur par I'attentisme des industriels, qui hésitent tous à être les premiers à se jeter à l'eau. Après six mois d'étude, Renault a adopté la machine 3D Systems qui est maintenant testée pour l'ensemble de l'automobile française chez Sogam, une filiale de PSA. En Europe, Fiat, Mercedes, Siemens et Brilish Aerospace ont franchi le pas. Aux États-Unis, 3D Systems a vendu cinquante en un an dans la seule région de Detroit. On en compte actuellement six chez Pratt & Withney et quinze chez Général Motors. Les gains avancés par Spectra Physics, et qui touchent la fabrication des modèles, des prototypes et des moules, sont impressionnants.




La stéréolithographie utilise les données informatiques provenant d'un ordinateur de conception assistée par ordinateur (CAO). Cette représentation numérique d'un objet en trois dimensions est traitée par un second ordinateur qui la découpe en tranches horirontales. L'informatique de contrôle de la machine de stéréolithographie exploite le dernier traitement pour coordonner l'ensembte du système constitué de quatre éléments : la source du laser ultraviolet qui émet Ie rayon, un ensemble de miroirs orientables qui dirige le faisceau lumineux, une table, mobile verticalement, à l'intérieur d'un bac contenant un niveau constant de polymère liquide. La pièce est constituée par tranches successives. Le rayon laser solidifie la couche de liquide située entre la surface et la couche précédemment solidifiée lors de l'étape précédente.
Pour passer d'une couche à l'autre, le plateau qui supporte la pièce en cours de réalisation s'enfonce progressivement dans le liquide. L'épaisseur des couches varie de 0,1 à 0,3 mm, en fonction de la précision voulue.


Dans l'industrie aéronautique, le développement d'une pièce complexe prend six à neuf mois et revient à environ 150 000 francs.
Le recours à la stéréolithographie réduirait le délai à une semaine pour un coût de 30 000 francs... Le médical, l'automobile, l'électronique, le matériel informatique et les cosmétiques font partie des secteurs les plus concernés. Dans tous ces cas, les aller et retour entre le bureau d'études et celui des méthodes seront très réduits, tandis que l'existence même de l'atelier de fabrication des maquettes sera remise en question. Si les performances de la machine sont confirmées, cette profession s'en trouvera profondément affectée. Un danger d'autant plus important que le procédé n'a pas atteint ses capacités optimales.
Chez Ciba Geigy, pas moins de dix-sept chercheurs travaillent sur l'élaboration de matières plastiques adaptées à la stéréolithographie et dont les propriétés dépasseront celles de la résine acrylate utilisée aujourd'hui. Ces nouveaux plastiques devront résister à la température sous capot (120°C) des automobiles, être plus résistants pour les essais dynamiques et plus sensibles à la lumière, afin de réduire le temps de réalisation : entre dix heures et quarante heures, en fonction de la taille, de la complexité des pièces, ainsi que de la précision voulue.
La stéréolithographie n'est pas exemple de quelques autres handicaps. L'investissement avoisine les 2 millions de francs, et la précision ne dépasse pas, pour l'instant, le dizième de milimètre. Le volume des pièces réalisables reste très limité : 25 centimètres pour chaque dimension sur la machine actuelle et 50 centimètres pour la nouvelle machine de 3D Systems en cours d'essai aux États-Unis. qui sera dotée d'un laser plus puissant (300 MW au lieu de 20 MW).
Pour obtenir des pièces plus grandes, il faut actuellement coller les différentes parties. Par ailleurs, la concurrence s'organise. À Dallas, l'américain DTM développe un système qui utilise de la poudre à la place du plastique liquide. Au Japon, Sony et Mitsubishi travailleraient sur le sujet.
La force de 3D Systems semble résider dans l'un de ses brevets, relatif au système d'enfonçage du plateau dans le liquide. Une idée simple mais très difficile à contourner. Dupont de Nemours à récemment attaqué, semble-t'il sans succès, ce brevet pour imposer son prototype Somos. La taille des entreprises en lice confirme l'importance des enjeux.

Jean Rieux

Voir l'encadré : Les chercheurs français en mal d'industriels


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