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La fabrication additive rencontre l’art

La fabrication additive rencontre l’art

by Gaëtan Lefèvre19 octobre 2017
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Avec l’aéronautique, l’automobile et la médecine, la bijouterie compte parmi les premières industries à utiliser la fabrication additive. Avec l’horlogerie, elles font aujourd’hui partie des secteurs de référence pour l’application des techniques d’impression.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprises et de projets.

Les avantages de la fabrication additive sont aujourd’hui mondialement reconnus. Dans le secteur de la bijouterie et de l’horlogerie, cette technologie permet principalement : la personnalisation de masse, l’intégration des formes ou des structures complexes, la réduction de déchets (en particulier pour les matériaux précieux), des coûts de transport plus bas, l’amélioration de l’innovation et la créativité, la fabrication à la demande et la conception relocalisée. Ainsi, les créateurs peuvent repenser la production de bijoux. Une fois le fichier 3D généré, un fournisseur spécialisé et un service d’impression 3D en ligne suffisent à la production du produit final. À l’inverse, la production de bijoux sans service d’impression 3D en ligne est beaucoup plus difficile, car elle nécessite générale- ment des machines industrielles, en particulier pour les matériaux métalliques. De plus, certaines productions ne fonctionnent pas sur les imprimantes domestiques classiques, comme nous le verrons dans cet article.

Dans ce secteur, la fabrication additive offre un autre avantage majeur du fait que les fichiers 3D peuvent être facilement modifiés. Un modèle 3D « préliminaire », peu cher, comme un prototype en plastique, peut permettre d’évaluer la qualité et la faisabilité du produit. Les modifications sont faciles à intégrer grâce aux logiciels de modélisation 3D, avant que le produit final soit imprimé dans le métal désiré. Enfin, l’impression en 3D rend également possible l’insertion dans la conception d’une quantité presque illimitée de détails, comme nous pouvons le voir dans les trois études de cas proposées dans cet article.

Les principaux matériaux et leurs traitements

Les matériaux les plus couramment utilisés par les créateurs de bijoux et de montres sont des métaux divers. Selon les besoins et les systèmes de fabrication additive, le marché offre une large gamme de matériaux, mais aussi beaucoup d’options de finition, particulièrement utiles pour les créateurs de bijoux. En plus des nombreux alliages métalliques, les principaux matériaux utilisés dans ce secteur sont les suivants :

  • l’alumide : un mélange de poudres de polyamide et de fines particules d’aluminium ;
  • l’aluminium ;
  • le laiton : composé de cuivre et de zinc ;
  • le bronze : un revêtement PU, polissage ;
  • la céramique ;
  • l’or:14ou18carats;
  • le polyamide : un plastique en nylon ;
  • le caoutchouc : un plastique souple ;
  • le ruthénium : un métal très rare, dur, lustré, fragile et blanc argenté qui ne trempe pas à température ambiante ;
  • l’acier inoxydable : avec divers composants tels que le fer, le nickel, le chrome, etc ;
  • le titane : généralement Ti64 composé de titane (88-90 %), d’aluminium (5,50-6,5 %) et de vanadium (3,50-4,50 %).

Les traitements de la surface extérieure sont différents selon les entreprises et les métaux utilisés. Ils peuvent être, par exemple, rugueux, dans le cas où le créateur préfère procéder à son propre placage. Le modèle reçoit alors un ponçage rapide, éliminant ainsi les principales impuretés de l’objet. La surface du produit fini reste rugueuse, mais l’objet est portable, comme pour un anneau. Il existe de nombreux autres finitions telles que le vernis miroir, dont le modèle est poli avec un miroir en plusieurs étapes avec une méthode soustractive, le brillant, le satiné, le sablé, l’antique, etc.

La chaîne de valeur et les techniques applicables

Dans l’industrie des bijoux, la CAO (conception assistée par ordinateur) a ouvert une nouvelle période de créativité, en constante évolution. Les principaux logiciels de conception 3D utilisés dans le secteur sont : Autodesk, Rhino, Matrix, Artcam, 3Design Jewel et Solidworks. Les coûts de CAO et de FAO (fabrication assistée par ordinateur) ont des prix beaucoup plus abordables que ceux des méthodes dites « traditionnelles ». La FAO est le logiciel permettant que la CAO soit réalisée directement sur les machines connectées au système de la chaîne de production. Le système CAO est classé en deux types : le prototypage additif et le prototypage soustractif. Le prototypage additif est le processus utilisé dans la production de bijoux. Les bijoux aux formes complexes sont de plus en plus réalisés par la fabrication additive. Au vu des avantages de cette technologie, on comprend cette tendance.

Les applications principales de la fabrication additive pour la création de bijoux restent le prototypage rapide et la fabrication directe.

  • Prototypage : les professionnels du secteur des bijoux peuvent gagner du temps et de l’argent en utilisant l’impression 3D pour fabriquer des prototypes, en plastique rentable, avant de produire le design final.
  • Réalisation de modèles de coulée : l’impression 3D peut également être utilisée dans le processus de fabrication de bijoux pour créer des modèles de casting d’investissement.
  • Fabrication directe : il est possible d’utiliser la fabrication additive pour créer des bijoux finis, principalement sur des imprimantes 3D métalliques. Étant donné que l’impression en métal est encore une technologie coûteuse pour les particuliers, les utilisateurs envoient souvent leurs conceptions 3D dans des services d’impression qui offrent une large gamme de matériaux, y compris divers métaux précieux tels que l’argent, l’or ou le platine.

Une des techniques toujours très efficace pour fabriquer des bijoux est la fabrication de moules. Le « moulage en fonte perdue » est une technique populaire pour la production directe de bijoux en métal. Dans ce cas, un modèle 3D peut être réalisé en cire thermoplastique. L’une des techniques utilisées pour créer des bijoux en or, en argent, en bronze, en cuivre et en laiton, est liée à l’impression et la coulée de cire perdue. Cette technologie s’appuie sur la technologie d’impression 3D moderne ainsi que sur la fonte traditionnelle en métal. Dans ce procédé, tout commence par l’impression 3D d’un modèle en cire. L’imprimante 3D utilise une résine de type cire comme matériau d’impression. Puis un ou plusieurs springs de cire sont attachés au modèle qui sera lui-même attaché par la sprue à une cire, ainsi que à plusieurs autres modèles. L’arbre est ensuite placé dans un flacon et recouvert de plâtre fin. Lorsque celui-ci se solidifie, il forme le moule pour le moulage du métal. Le moule en plâtre est placé dans un four et chauffé pendant plusieurs heures jusqu’à ce que la cire soit complètement brûlée.

Les procédés de fabrication additive utilisés dans les applications de bijoux sont régulièrement des technologies à base de résine : principalement SLA (stéréolithographie) ou DLP (Digital Light Processing). Ces machines peuvent produire des impressions de meilleure qualité et des surfaces d’impression plus lisses que les imprimantes 3D à extrusion, qui utilisent des filaments plastiques comme matériau d’impression. La résolution de l’impression est essentielle dans les applications de bijouterie, qui concernent souvent des objets minuscules avec un haut niveau de détail. Des surfaces lisses sont également nécessaires lors de l’utilisation de l’impression 3D pour créer des moules pour le moulage par investissement, par exemple. Il existe sur le marché plusieurs marques d’imprimantes 3D spécialisées dans les applications de bijoux : les prix commencent à partir de quelques milliers de dollars pour les imprimantes 3D de bureau de base utilisant des technologies de résine, mais pour les imprimantes 3D plus avancées, spécialement conçues pour les applications de bijoux, les prix peuvent être beaucoup plus élevés, en fonction de divers critères comme la résolution d’impression, le volume, la vitesse d’impression, etc.

Procédure d’impression et de coulée perdue – Materialise

Scan 3D pour bijoux

Le scan 3D pour les bijoux offre de nombreux avantages. Ce processus permet d’obtenir un fichier CAD détaillé. À partir de ce fichier, il est possible d’apporter des améliorations au design et au processus de fabrication de manière rapide, très précise et rentable.

Il existe de nombreux avantages pour les bijoux numérisés en 3D. Voici deux exemples d’applications et d’avantages de la numérisation 3D pour le secteur de la bijouterie.

  • Lors de la numérisation en 3D d’un bijou, le fichier CAD obtenu est beaucoup plus précis qu’une image, avec les détails. Le stockage de ces fichiers numériques pour une utilisation ultérieure (présentation, archivage, modification de dessins, etc.) est également très simple.
  • La création d’un nouveau design basé sur une bijouterie existante, après la numérisation 3D du modèle d’origine, nécessite la modification du logiciel de CAO. Il est possible d’imprimer le modèle pour construire un moule pour les nouveaux modèles.

Le scan permet donc de capturer un haut niveau de détail, la réparation d’un bijou cassé ou endommagé, la réplique de bijoux existants, etc. Les meilleurs scanners 3D pour bijoux sont d’ailleurs conçus pour capturer des pièces minuscules et très détaillées. Ils peuvent être inclus ou ouverts, et sont généralement basés sur une technologie de lumière structurée. Plusieurs scanners 3D ont été développés pour répondre aux besoins des professionnels de la bijouterie.

Tableau des scanners 3D portables les plus populaires

Principaux fabricants de systèmes pour la bijouterie et l’horlogerie

Dans le cas où les fabricants de bijoux préfèrent produire directement des artefacts, le marché offre une large variété de systèmes.

CMET

En 2016, une société japonaise a lancé sa série « Mini Meister », comprenant trois petites machines de stéréolithographie (SLA), à faible volume, dédiées au marché des bijoux et des produits dentaires.

CONCEPT LASER

Depuis les années 2000, la société allemande Concept Laser GmbH est considérée comme pionnière dans le domaine de la technologie de fusion laser. Elle est l’un des principaux fournisseurs au monde de machines. Elle a notamment connu une forte expansion après l’acquisition de 75 % de l’entreprise par General Electric (GE) en décembre 2016. Elle propose des machines standard et des machines spécifiques pour le LaserCUSING® de métaux, ainsi que des services généraux et des travaux de développement. Le procédé LaserCUSING® implique une poudre métallique fine fusionnée localement par un laser. Après refroidissement, le matériau se solidifie. Le terme LaserCUSING® – composé de la lettre C de Concept Laser et du mot FUSING pour « fusion complète » – implique un processus de fusion avec une « exposition stochastique » brevetée qui génère des géométries de composants complexes par couche, en utilisant des données CAO 3D. Le composant est construit par couches successives grâce à un plateau s’abaissant. Les articles de bijoux fabriqués à l’aide de LaserCUSING® ont une structure plus élevée et beaucoup plus uniforme qu’avec le procédé par coulée.

DWS

Maurizio Costabeber a lancé, en 1993, la première version d’imprimante de bureau 3D, produite par sa start-up japonaise. Grâce à son expérience en Orient et à sa recherche sur les technologies innovantes, il a fondé DWS, en 2007, en Italie, avec le but de proposer l’impression 3D avec un haut niveau de qualité et de résolution. La société est intégrée verticalement et produit en interne des imprimantes pour les secteurs de la bijouterie, du dentaire et du design industriel. Elle fabrique également ses propres logiciels et matériaux consommables. Aujourd’hui, DWS exporte 80 % de sa production dans plus de 60 pays à travers le monde. Elle utilise les lettres J, D et X comme suffixes pour désigner ses noms de modèles. Les machines DigitalWax® sont présentées par la société comme d’une « fiabilité élevée et une maintenance extra-faible », avec un change- ment de matériau rapide ainsi qu’une absence de préchauffage et d’étalonnage, contrôlés par un logiciel dédié parfaitement compatible avec la plupart des systèmes de CAO 3D utilisés dans les applications de bijoux.

ENVISIONTEC

La société allemande EnvisionTEC est très impliquée dans les marchés des bijoux et des produits dentaires, avec plus de 7 000 systèmes basés sur la technologie DLP (Digital Light Processing) vendus à travers le monde. En 2013, la technologie 3P (balayage, rotation et sélective photocure) a également été introduite et basée sur le laser plutôt que sur DLP et offre une lumière laser perpendiculaire pointant à la surface du photopolymère. EnvisionTEC offre une large gamme d’imprimantes dédiées à l’industrie de la bijouterie, la série de LED standard Perfactory 4, un système de fabrication de prototypes 3D « facile à utiliser et à entretenir ».

EOS

EOS a optimisé sa fabrication additive en or grâce à sa collaboration avec Cookson (CPM), spécialiste des métaux précieux, fournisseur européen leader de produits en métaux précieux, d’alliages, de fils, de tôles, de tubes, de pièces de monnaie et de moulages en or, en argent, en platine et en palladium et raffineur de métaux avec le statut de « Good Delivery » de la London Bullion Market Association.

En s’appuyant sur les données numériques des modèles CAO, le système de frittage au laser direct (DMLS) d’EOS fabrique couche par couche, sans que ce processus soit visible dans le produit fini, ce qui rend l’impression 3D indistinguable et le produit fini proche du travail d’un orfèvre traditionnel.

FORMLABS

Formlabs est une société spécialisée en fabrication additive SLA basée aux États-Unis. Au cours de ces deux dernières années, elle a lancé de nouvelles résines comme la résine Castable et des imprimantes, comme la Form 2 pour le secteur de la bijouterie. Plus précisément, la machine Form 2 est dédiée aux bijoutiers travaillant avec des conceptions numériques pour prototyper ou produire des pièces prêtes à la coulée. Ainsi, les modèles 3D peuvent être importés et imprimés en résine. Formlabs a annoncé que : « la configuration, qui fonctionne avec les fichiers CAO standard de l’industrie, prend uniquement 15 minutes ».

SISMA

Basée en Italie, Sisma compte parmi les meilleures entreprises au monde dans le secteur des orfèvres et bijoux pour la production et la conception de machines complètes, pour les chaînes de fabrication, le soudage, le marquage, les machines laser à micro-coupe et les fraiseuses à coupe et à l’outil diamant. En 2014, la société italienne et le groupe allemand Trumpf ont créé une coentreprise pour réaliser une nouvelle ligne d’imprimantes 3D métalliques. Alors que Trumpf avait produit des machines de dépôt d’énergie direct (DED), la collaboration des deux entreprises a permis de développer de nouveaux systèmes de poudres. Sisma a ainsi lancé la petite MySint 100 en 2014, avant la grande MySint 300 en 2016. En plus du titane, de l’aluminium et de l’acier, la machine MySint 100 peut fonctionner avec de l’or, du bronze, du chrome, du cobalt et des alliages de nickel.

Vittorio Gaudino, directeur général de Sisma SpA, a récemment déclaré que : « Sisma, établie en Italie en 1961, représente une référence mondiale pour la conception et la production de machines de très haute précision. Lorsque nous parlons de machines de fabrication 3D, nous devons considérer les systèmes intégrés et, selon les philosophies de Sisma, des systèmes ouverts intégrant l’ensemble de la chaîne de valeur dans son intégralité ».

SOLIDSCAPE

Solidscape, société du groupe Stratasys depuis 2011, fabrique des machines pour des modèles de cire thermoplastique, afin de concevoir des pièces moulées en métal. Elle emploie le procédé de projection de matériaux pour produire des pièces avec un haut niveau de précision et une finition de surface. Selon les chiffres fournis par la société, elle a vendu plus de 4 000 systèmes dans 40 pays. La machine 3Z Max est la plus rapide des quatre imprimantes 3D. En 2017, la société a annoncé son partenariat avec DesignTech Systems, suite à l’accord de 2015 avec le groupe KangShuo, pour s’insérer conjointement sur le marché des bijoux indiens et chinois.

3D SYSTEMS

Pour finir, le géant 3D Systems offre également des solutions pour les fabricants de bijoux. L’imprimante ProJet MJP 3D produit des modèles de cire de micro-détail avec une excellente qualité de surface et des caractéristiques extrêmement fines, idéales pour les applications complexes de moulage direct comme les bijoux. La machine 1200 permet de produire une large gamme de modèles de coulée métallique, de cire dentaire et de pièces en plastique dans des temps de cycle courts, avec la précision d’une imprimante 3D professionnelle. Elle est parfaite pour la production de prototypes en plastique résistant et précis, pour de petits composants mécaniques, des motifs complexes, y compris des bijoux exceptionnels, des cirages dentaires, ainsi que des modèles et des micro-pièces pour figurines, modèles à l’échelle, accessoires de mode et décor.

Notre rêve imprimé de Zbynek Krulich

Après avoir obtenu son diplôme de l’Académie des arts, de l’architecture et du design de Prague en 2011, Zbynek Krulich (en photo ci-dessous) s’est associé à Kristyna Malovaná pour créer Morphe (http://morphe.cz/), un studio de design basé à Prague, en République tchèque, spécialisé dans les produits, les meubles et le décor d’intérieur. Quelques années plus tard, en 2012, Krulich a cofondé la marque de bijoux imprimés 3D Blueberries (http://www.blueberries.cz/) avec la créatrice Markéta Richterová (en photo ci-dessous). Leur première collection de bijoux produits à l’aide de la technologie d’impression 3D a été présentée à l’exposition Designblok 12, à Prague. La société Blueberries a notamment bénéficié d’un partenariat avec Materialise pour développer ses produits.

Seulement quelques mois après le lancement des Blueberries, Zbynek et Markéta ont remporté le prix de « Meilleur créateur de bijoux de l’année » au Czech Grand Design Awards. Depuis lors, ils participent à de nombreuses expositions et conférences telles que Design SUPERMARKET, Design Weekend Kosice, Together Again et Pecha Kucha Night.

La société Blueberries est reconnue pour ses formes géométriques et la précision de ses bijoux. L’inspiration du duo pro- vient principalement de structures naturelles, organiques et inorganiques. Dans leur travail, ils jouent avec la lumière, la matière, la composition, l’échelle et la géométrie. Les designs sont ensuite imprimés en 3D et vendus dans leur boutique en ligne (http://www.blueberries.cz/#wheretobuy).

La dernière collection a été réalisée en nylon, avec des bijoux légers et flexibles. Plus récemment, des bijoux faits d’acrylate transparent, d’acier inoxydable, d’argent et d’or ont été ajoutés à la collection.

Le duo blueberries : Markéta Richterová et Zbynek Krulich, et un bijou de leur création.

L’impression 3D à l’heure par Holthinrichs

Michiel Holthinrichs est le fils d’un artiste et d’un ingénieur automobile. Son enfance, bercée entre ces deux influences différentes, lui a permis de développer ses qualités imaginatives et l’a amené à mélanger une approche à la fois hi-mécanique et hi-tech de l’ingénierie auto- mobile et des domaines de design artistique. Il a ensuite étudié à la faculté d’architecture de l’Université de Technologie de Delft, où il a obtenu son diplôme technique et de design. Il a commencé à travailler sur des projets de rénovation du patrimoine national où il est devenu un spécialiste reconnu dans la transformation des structures historiques. Fondateur de Holthinrichs Watches, il a été l’un des premiers adoptants de l’impression 3D dans le secteur de l’horlogerie.

Avec l’Ornament, la première montre imprimée en 3D, Holthinrichs Watches exploite toute la liberté qu’offre l’impression 3D en termes de possibilités de conception, tant à l’extérieur que dans les parties internes de la montre.

L’Ornament 1 de Holthinrichs, la première montre imprimée en 3D.

Un joli cadeau par le designer Desmond Chan

De plus en plus de concepteurs de bijoux découvrent le grand potentiel et la liberté de conception qu’offre l’impression 3D. Desmond Chan, fondateur de Vulcan Jewellery (https://www.facebook.com/ VulcanJeweler) est l’un d’eux. Designer remarquable, il travaille en impression en 3D, avec i.materialise, pour fabriquer ses bijoux dans des métaux précieux comme le laiton, le bronze, l’argent ou l’or. Après avoir étudié l’animation informatique au Royaume-Uni, il a commencé sa carrière dans l’industrie de l’animation 3D à Hong Kong, il y a plus de 10 ans. Il travaille actuellement dans une entreprise de jouets en tant que responsable de l’animation et des médias numériques. Il a commencé à réaliser des bijoux en 2013, alors qu’il ne trouvait pas de cadeau de Noël et original pour sa femme. En utilisant ses compétences en modélisation 3D, il a décidé de designer son propre pendentif en forme d’étoile. Il a ensuite utilisé la technologie d’impression 3D pour faire réaliser ce pendentif en argent sterling.

Ses dernières créations représentent un « Collier Arbre en Croix » et un « Bracelet Laurel ». Le pendentif « Arbre en Croix » a été inspiré par Salvador Dali, l’un des artistes surréalistes les plus polyvalents et les plus prolifiques du 20e siècle. La croix cubique avec ses boîtes flottant dans l’air et son arbre à l’intérieur représente la vie et l’immortalité. Le « Bracelet Laurel » a été inspiré par l’Art nouveau, le mouvement d’avant-garde qui est apparu au tournant du 20e siècle, par des formes et des structures naturelles, non seulement dans les fleurs mais aussi dans les lignes courbes. Le bracelet se compose de 20 feuilles de laurier dorées qui se forment dans une bague fermée sur laquelle les feuilles de laurier se chevauchent.

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Gaëtan Lefèvre

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