Tout savoir sur l’impression 3D de cire

Le terme d’impression 3D de cire est quelque peu trompeur, car il s’agit d’une impression 3D indirecte. En d’autres termes, l’impression 3D n’est pas utilisée pour la fabrication de la pièce finale, mais comme étape du processus. L’impression 3D de cire permet ainsi de fabriquer des moules en cire qui serviront de modèle pour la pièce finale. La cire n’est donc pas le matériau qui compose la pièce finale. Elle est simplement utilisée pour créer la forme et est ensuite fondue. Comme la forme de la cire n’existe finalement pas et est « perdue », on parle souvent de fonte à cire perdue.

Le procédé de cire perdue est un procédé de moulage. Il s’agit d’un processus de coulée qui permet de fabriquer de petites pièces moulées à l’identique et avec peu d’étapes de finition. Il est traditionnellement très apprécié pour sa précision dimensionnelle, ses détails et sa qualité de surface. L’impression 3D de cire a les mêmes objectifs mais la différence est que le moule est imprimé en 3D et non fabriqué à la main.

L’impression 3D de cire repose à l’origine sur le principe de la cire perdue (crédits photo : 3D Systems)

L’impression 3D de cire sert en premier lieu à fabriquer des moules qui sont ensuite utilisés comme forme pour des objets en métal, précieux ou non. La cire présente l’avantage de brûler presque sans laisser de résidus et de ne pas nécessiter un traitement complexe du moule. Outre la cire d’impression spéciale, il existe également des filaments et des résines qui brûlent et qui sont destinés au même usage. La technologie 3D permet d’imprimer presque tous les designs possibles et de combiner la qualité de la fonte avec des structures complexes. Regardons donc le processus de plus près. 

Comment fonctionne l’impression 3D de cire ?

On commence tout d’abord par concevoir la pièce finale. Cela se fait à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D ou de scans d’objets qui doivent être reproduits à l’identique. Ensuite, le modèle est imprimé à partir d’une matière plastique semblable à la cire. Pour ce faire, il faut une imprimante 3D de cire spéciale qui peut traiter ce matériau. Des supports d’impression peuvent être requis si le design est très complexe et présente par exemple des surplombs et des ponts. Ces structures doivent être retirées après l’impression et le modèle doit être nettoyé. Il peut être nécessaire d’égaliser les petites irrégularités de la surface. Contrairement à l’impression 3D de cire, le modèle est dessiné et fabriqué de manière artisanale lors de la fonte à la cire perdue traditionnelle. Les autres étapes ne sont pas différentes.

Une fois le modèle en cire imprimé et nettoyé, l’opérateur le fixe avec d’autres modèles sur un « arbre de coulée ». Il s’agit d’une barre creuse avec plusieurs éléments fixés qui sont plongés dans une masse liquide. Celle-ci peut être en céramique, en argile ou en plâtre et sert de coque extérieure et, finalement, de moule de coulée. Les modèles en cire sont entourés de fines couches du matériau concerné, qui est injecté à l’aide d’entonnoirs de coulée. La couche de matériau qui entoure le modèle en cire doit ensuite sécher ou être cuite dans un four.

La cire ou la matière plastique en cire fond, s’écoule ou brûle et il ne reste que la forme verte de la pièce finale en matière moulée. Le matériau final fondu est ensuite inséré dans cette empreinte détaillée de la pièce de construction ou de la pièce finale. Une fois que celui-ci s’est solidifié, le moule doit être cassé. On tient alors l’objet fini entre les mains. Selon l’application et le matériau, celui-ci doit ensuite être retravaillé en plus ou moins d’étapes.

Ce graphique illustre le processus d’impression 3D de cire (crédits photo : Sculpteo)

Avantages et limites de l’impression 3D de cire

L’impression 3D de cire permet d’obtenir une haute résolution, avec une précision d’environ 25 μm. Toutefois, la précision dépend également du procédé d’impression 3D choisi et ne peut pas être généralisée. Bien que l’impression 3D de cire permette d’obtenir une faible marge de tolérance des pièces, il convient ici aussi de tenir compte des normes correspondantes, comme la norme VDG (qui comprend des indications de construction pour la conception de pièces coulées en matériaux de fonte) ou les normes DIN ISO pertinentes pour la coulée. Les atteindre peut éventuellement constituer un défi.

La technologie séduit également par son rapport qualité/prix. L’impression 3D permet de produire des prototypes et des petites séries à moindre coût. Elle présente également des avantages en termes de temps. Les moules fabriqués de manière analogique sur commande nécessitent entre deux et douze semaines pour leur fabrication et leur livraison. L’impression 3D s’effectue en quelques heures seulement, en fonction du modèle, et peut être réalisée directement sur place. Le fait qu’un modèle puisse être retravaillé rapidement permet de réagir immédiatement aux difficultés : l’impression 3D permet des itérations plus faciles.

L’impression 3D de cire permet une liberté de conception et des adaptations rapides pour les prototypes et les petites séries (crédits photo : Sculpteo)

Le procédé marque également des points en termes de durabilité. Lors de l’impression 3D, seuls les matériaux nécessaires au modèle sont imprimés, il n’y a donc pratiquement pas de déchets. Les déchets de cire sont soit incinérés sans laisser de traces, soit réutilisés dans d’autres domaines.

Si vous optez pour ce procédé, sachez qu’il demande un peu de patience et ne convient pas aux modèles volumineux. C’est une méthode de fabrication indirecte, qui nécessitera plus de temps que les autres procédés d’impression 3D où l’on peut obtenir sa pièce directement.  

Où l’impression 3D de cire est-elle utilisée ?

Lorsqu’on en vient aux applications, il existe de nombreux domaines dans lesquels l’impression 3D de cire est utilisée. Il s’agit principalement d’applications où l’exactitude, la précision et les détails sont recherchés. Ainsi, le procédé est souvent utilisé en dentisterie pour créer des matériaux d’empreinte dentaire. Un autre exemple dans le domaine médical est la fabrication de cupules acétabulaires comme implants. Les cupules acétabulaires se composent d’une tête en forme de coque dont la surface contient des centaines de tripodes, c’est-à-dire des ancrages filigranes en forme de croix.

L’impression 3D de cire est également utilisée pour fabriquer des modèles en fonte ou des modèles originaux en construction mécanique. Outre la fabrication de moules, ce procédé est également utilisé dans le domaine du modélisme. Il est ainsi possible de fabriquer des pièces de collection et des éditions miniatures. Mais c’est surtout dans le secteur de la joaillerie que l’impression 3D de cire a fait ses preuves. Les bijoutiers utilisent les impressions en cire comme modèles pour les moules. Ils peuvent ainsi créer des prototypes et produire des pré-séries, puis utiliser les modèles comme moules qu’ils remplissent de métaux précieux pour fabriquer le bijou final.

Crédits photo : 3D Systems

Technologies, fabricants et matériaux

Plusieurs procédés entrent en ligne de compte pour la création du modèle. Si un filament semblable à de la cire est utilisé, la technologie FDM peut être utilisée. Toutefois, les technologies SLA et de material jetting sont beaucoup plus souvent employées. Dans le cas de la stéréolithographie, une résine semblable à la cire est alors utilisée pour imprimer le moule. 3D Systems avait développé un procédé SLA appelé QuickCast, destiné à l’impression de modèles et de moules dans l’aéronautique et l’aérospatiale. L’entreprise a également un autre procédé d’impression 3D de cire, le MultiJet Printing.

Prodways était un autre fabricant important sur le marché des imprimantes 3D de cire avec ses solutions Solidscape, qui fonctionnent avec la technologie Drop-on Demand. Toutefois, l’entreprise a récemment annoncé qu’elle mettait fin à ses activités sur ce segment. Le Binder Jetting convient également à l’impression 3D de cire. Par exemple, Voxeljet dispose dans son portefeuille d’imprimantes la VX1000, qui imprime de la cire, de la céramique et du sable.

3D Systems propose plusieurs solutions d’impression pour l’impression 3D de cire (crédits photo : 3D Systems)

Il est donc logique que les différents fabricants de solutions d’impression proposent également des matériaux à cet effet. La cire pour l’impression 3D est, comme nous l’avons mentionné au début, une matière plastique à base de cire. En général, les cires peuvent être classées en trois catégories : les cires naturelles (par exemple, la cire d’abeille, la cire de soja), les cires minérales obtenues à partir de combustibles fossiles (par exemple, la cire de paraffine, la cire de lignite) et les cires synthétiques (cire de polyoléfine pour les crèmes, cire hydrosilée). Ces dernières sont utilisées pour l’impression 3D.

Si des supports d’impression sont nécessaires, il faut recourir à deux types de cire différents. La cire de support doit avoir un point de fusion plus bas, de sorte que les supports puissent être éliminés par fusion, mais que le modèle en cire reste intact. Côté fabricants, on peut citer 3D Systems mais aussi Polymaker ou Formfutura.

Des pièces en cire imprimées en 3D (crédits photo : Sculpteo)

Les cires et l’impression 3D de cire constituent certes une niche au sein des technologies et des applications de la fabrication additive, mais elles offrent des solutions que d’autres procédés et matériaux ne peuvent pas atteindre. L’impression 3D de cire s’impose notamment dans la bijouterie et les secteurs où les détails et les structures complexes des pièces sont nécessaires, et présente de nombreuses possibilités.

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*Crédits photo : MOIIN