L'impression 3D dans le sport

L'impression 3D, ou fabrication additive, est une technique de production qui crée un objet tridimensionnel à partir d'un fichier de conception assistée par ordinateur (CAO). Le terme recouvre plusieurs processus différents dans lesquels un ou plusieurs matériaux - généralement du plastique, du métal, de la cire ou un composite - sont déposés couche par couche pour construire une forme.

L'ensemble du processus est contrôlé par un ordinateur, ce qui fait de l'impression 3D une méthode rentable, efficace et précise pour créer des objets de n'importe quelle géométrie ou complexité. Aujourd'hui, l'impression 3D est utilisée dans toutes les industries pour produire des prototypes, des outils et des gabarits, des composants et des pièces d'utilisation finale.

Les imprimantes 3D existent en différentes tailles, de la plus petite pour tenir sur une paillasse aux machines industrielles de grand format.

Les grandes imprimantes peuvent produire des objets plus grands, mais elles prennent plus de place et coûtent beaucoup plus cher que les imprimantes de table. Réussir une impression est également plus complexe sur une imprimante grand format en raison du volume de matériau et du temps d'impression nécessaires.

L'impression 3D dans le domaine du sport et du fitness offre de nombreux avantages, notamment :

Une conception et un développement accélérés des produits
Une plus grande souplesse de conception  
Modification et amélioration plus rapides des produits
Des équipements plus légers et plus résistants
Amélioration de l'aérodynamisme
Options de personnalisation améliorées

Dans le monde du sport, les fractions de seconde font la différence entre la victoire et la défaite. Tout gain de temps dans la vitesse de réaction d'un athlète ou dans la vitesse de guérison d'une blessure peut offrir un avantage compétitif unique.

Le poids est tout aussi important pour permettre aux athlètes de donner le meilleur d'eux-mêmes. Le poids influence grandement la vitesse, l'endurance et la puissance d'un athlète et de l'équipement, du véhicule ou de l'animal dont il dépend. Réduire le poids peut aider un athlète à être plus performant, à récupérer plus rapidement et à concourir à un niveau supérieur.

L'impression 3D dans le sport est une clé qui permet de réaliser des économies de temps et de poids jusqu'alors impossibles à atteindre. Elle permet en effet de concevoir et de fabriquer des produits plus légers mais aussi solides, voire plus solides, que ceux fabriqués à l'aide de méthodes de fabrication plus conventionnelles.

En outre, l'impression 3D dans le domaine du sport offre une plus grande liberté de conception. La technologie peut produire des géométries très complexes qu'il serait difficile, voire impossible, de fabriquer autrement. L'association de l'impression 3D et de la technologie de balayage laser offre également un nouveau niveau de personnalisation d'un produit en fonction de l'anatomie et des besoins uniques de l'utilisateur. 

Le fait que l'impression 3D soit plus abordable et plus accessible dans le domaine du sport a permis à cette technologie d'améliorer les performances à tous les niveaux, des amateurs aux athlètes olympiques. De nombreux fabricants de matériel sportif de premier plan, ainsi qu'un nombre croissant de jeunes entreprises et de perturbateurs du marché, exploitent déjà les capacités de cette technologie.

Cette activité a débouché sur une gamme d'applications de l'impression 3D dans le domaine du sport en pleine expansion, qu'il s'agisse d'articles simples comme les protège-dents et les protège-tibias ou de créations plus complexes comme les clubs de golf et les planches de surf. D'autres innovations suivront certainement, car la prise de conscience du potentiel de l'impression 3D se poursuit.

La championne du monde de paracanoë Emma Wiggs MBE savait qu'elle pouvait gagner en puissance et propulser le canoë plus rapidement avec une pagaie plus forte et plus légère, adaptée à ses besoins individuels.

La conception de base de la pagaie n'a pratiquement pas changé depuis des années et n'était pas adaptée à l'ergonomie des paracanoïstes. Si sa longueur pouvait être modifiée, la pale, le manche et la poignée étaient les mêmes pour tous les athlètes, quels que soient leur taille, leur poids ou leur style de prise en main. 

La pagaie ayant été identifiée comme un élément peu performant, le champion paralympique s'est associé à des ingénieurs du National Centre for Additive Manufacturing du Manufacturing Technology Centre et du National Composites Centre pour concevoir une solution.

La nouvelle pagaie en fibre de carbone a été conçue à partir d'un modèle de simulation informatique de l'ergonomie et des techniques individuelles d'Emma, notamment l'angle auquel la pale pénètre dans l'eau. Différentes options pour le manche ont été conçues, adaptées aux mains d'Emma, allégées et fabriquées à l'aide de l'impression 3D de polymères haute performance.

La pagaie finale était dotée d'un manche sur mesure 50 % plus léger, d'un axe 254 % plus rigide et d'une pale redessinée 154 % plus rigide avec un angle amélioré pour maximiser la puissance d'Emma lors de l'entrée de la pale dans l'eau.

Avec la pagaie redessinée en main, Emma a remporté sa deuxième médaille d'or aux Jeux paralympiques de 2020 à Tokyo.

Selon Emma, "les courses se gagnent sur de petites marges et cela démontre que les bonnes adaptations de notre équipement peuvent faire toute la différence le jour de la course. J'ai gagné ma médaille d'or en réalisant mon meilleur temps paralympique sous une pression extrême, mais le fait de savoir que j'avais la meilleure pagaie possible entre les mains a fait une énorme différence et a massivement contribué à ma victoire."

• ÉQUIPEMENTS SPORTIFS PERSONNALISÉS IMPRIMÉS EN 3D
  Exemples :

  Équipements de protection - c'est-à-dire casques, protections oculaires, coussinets et protections, protège-dents, gants et crampons.
  Vêtements de sport - c'est-à-dire chaussures, semelles intérieures, bottes et certains articles de vêtements.
  Équipements sportifs - c'est-à-dire battes, clubs, têtes, sièges et poignées.
  Prothèses
  Équipements d'entraînement - c'est-à-dire aides à la précision, poids et poignées.
  L'un des avantages les plus célèbres de l'impression 3D dans le domaine du sport est la facilité avec laquelle elle peut produire des articles sur mesure pour un ajustement, une protection, un soutien et un confort optimaux. C'est actuellement l'application la plus courante de cette technologie.

  Les articles de sport imprimés en 3D peuvent être personnalisés de nombreuses manières différentes, qu'il s'agisse de petits changements comme la modification de la couleur ou la mise à jour du logo d'un sponsor, ou de modifications plus complexes comme la reconception et la production rapides d'un équipement de protection pour un ajustement plus parfait.

  Un équipement mal ajusté et inconfortable affecte grandement les performances sportives. Il peut provoquer des douleurs, des plaies et des ampoules, voire augmenter le risque de blessure. C'est particulièrement vrai pour une prothèse (un dispositif conçu pour remplacer une partie manquante du corps). Or, le processus traditionnel de fabrication de pièces uniques personnalisées est lent et coûteux.

  La combinaison du balayage laser haute définition, de logiciels de modélisation informatique sophistiqués et de l'impression 3D a considérablement simplifié et rationalisé le processus.

  Ces technologies permettent de produire rapidement des articles sur mesure qui correspondent précisément à l'anatomie, aux exigences et au style de l'utilisateur. Le fait de ne plus avoir à prendre des mesures manuellement ou à fabriquer des moules augmente la précision et la rapidité du processus. Cela permet d'accélérer considérablement la conception, la livraison et l'amélioration itérative.

  En outre, les produits imprimés en 3D utilisent souvent des structures en treillis ou en mailles, ce que les autres méthodes de fabrication ont du mal à reproduire. Ces structures offrent une plus grande flexibilité et une meilleure absorption des chocs, tout en étant plus légères, plus durables et plus respirantes. Tous ces attributs contribuent à maintenir les athlètes à l'aise, au frais et en compétition.

  L'IMPRESSION 3D DANS LA MÉDECINE SPORTIVE
  Exemples :

  Masques faciaux, oreillers médicaux, attelles, plâtres, attelles et bottes.
  L'une des applications de l'impression 3D dans le sport qui connaît la croissance la plus rapide est le domaine de la médecine. Lorsqu'une blessure survient, les équipes sportives et les athlètes subissent une pression importante pour retrouver leur forme le plus rapidement possible. L'impression 3D offre des moyens nouveaux et innovants d'accélérer la récupération et de reconstruire les os cassés.   

  Non seulement les articles imprimés en 3D sont optimisés pour accélérer la récupération en dehors du terrain, mais ils permettent également aux sportifs de continuer à concourir pendant que leurs blessures guérissent. Les masques faciaux imprimés en 3D, par exemple, permettent aux footballeurs de jouer tout en se remettant d'une fracture du nez, de la joue ou d'autres blessures au visage.

  À l'instar des équipements de protection et des équipements sportifs évoqués plus haut, les produits médicaux imprimés en 3D peuvent être rapidement et facilement personnalisés afin d'obtenir un ajustement et un soutien optimaux pour la guérison.

  L'IMPRESSION 3D DANS LES SPORTS MÉCANIQUES
  Voici quelques exemples :

  Composants d'habillage - c'est-à-dire les tableaux de bord, les cadres de sièges, les panneaux de commande, les boîtiers électriques, les évents et les conduits de refroidissement, les couvercles et les accessoires de console.
  Pièces mécaniques - c'est-à-dire supports de montage, triangles de suspension, composants de freinage, systèmes d'échappement, pièces de moteur et certaines structures de support.
  La vitesse et le poids sont des facteurs essentiels dans de nombreux sports, mais particulièrement dans les sports mécaniques. De la Formule 1 au MotoGP en passant par le Championnat du monde des rallyes et le Tour de France, les concurrents sont constamment à la recherche d'un avantage pour aller plus vite.

  Ces sports utilisent depuis longtemps l'impression 3D pour réaliser des prototypes ultra-rapides et précoces qui peuvent être testés dans une soufflerie et dont la conception peut être modifiée si nécessaire. Une fois optimisée, la pièce finale était alors généralement fabriquée à l'aide de techniques de fabrication plus conventionnelles comme le moulage par injection ou l'usinage CNC.

  De plus en plus, l'impression 3D dans le sport est également utilisée pour produire des pièces finales en faible volume dans toutes sortes de matériaux et de formes complexes. La grille actuelle des voitures de Formule 1, par exemple, contient chacune des dizaines de composants légers imprimés en 3D qui, dans certains cas, coûtent 90 % de moins que ceux produits par des méthodes conventionnelles. Une considération importante dans les sports où les équipes concurrentes sont soumises à des plafonds de dépenses stricts.

  IMPRESSION 3D À LA DEMANDE
  La possibilité de fabriquer des pièces à la demande est un autre facteur clé de l'adoption de l'impression 3D dans le sport. Le fait d'internaliser le processus de production permet de mieux le contrôler et de réduire le délai entre la conception et la fabrication.

  En outre, de nombreuses équipes sportives participent souvent à des compétitions loin de leur siège social et des installations techniques associées. Il est donc difficile de disposer d'un approvisionnement en pièces de rechange facilement accessible.

  Les équipes n'ont ni la capacité ni le budget pour transporter une pièce de rechange pour chaque éventualité, et elles n'ont pas non plus le temps d'en fabriquer une en utilisant les méthodes traditionnelles. Par conséquent, il n'est pas rare qu'une pièce doive être acheminée par avion en première classe sur le lieu de la course, par exemple.  

  La rapidité, la flexibilité et l'efficacité de l'impression 3D dans le sport permettent de fabriquer des pièces rapidement et à moindre coût, au moment et à l'endroit voulus. Les fichiers CAO numériques permettent également d'optimiser les stocks et d'éliminer la nécessité de maintenir de grandes installations de stockage.

Les genoux, les chevilles et les coudes sont les parties du corps les plus souvent endommagées lors de blessures liées au sport. Les lésions de ces os, qu'il s'agisse de petites fissures ou de morceaux qui se détachent, peuvent être douloureuses et arrêtent souvent la carrière des athlètes. Elles peuvent également entraîner une arthrite invalidante.

Bien que les athlètes soient touchés de manière disproportionnée par ces blessures, elles peuvent toucher tout le monde.

Des scientifiques de l'université Rice et de l'université du Maryland ont conçu un échafaudage imprimé en 3D qui reproduit les caractéristiques physiques du tissu ostéochondral (os dur sous une couche compressible de cartilage qui apparaît comme la surface lisse à l'extrémité des os longs).

Auparavant, les chercheurs avaient du mal à reproduire le gradient du cartilage à l'os et sa porosité. Le laboratoire de biomatériaux de l'université Rice a imprimé un échafaudage avec des mélanges personnalisés de polymère pour le cartilage et de céramique pour l'os. Les pores intégrés permettent aux cellules et aux vaisseaux sanguins du patient d'infiltrer l'implant, ce qui lui permet de s'intégrer à l'os et au cartilage naturels.

Cette preuve de concept pourrait déboucher sur une série de nouvelles solutions de médecine régénérative. La prochaine étape du projet consiste à déterminer comment créer un implant ostéochondral correspondant parfaitement à l'autonomie du patient ; un défi que l'impression 3D est parfaitement à même de résoudre.

3D printing in sports represents a game-changer with almost limitless growth opportunities for amateurs to pro athletes. Exciting innovations are being driven by improvements in the quality and detail of printed objects (known as resolution), the industry’s greater familiarity with the technology, and continued research in more resilient materials such as advanced composites.

Yet, the technology does have limitations. 3D printing in sports is well suited to the upper levels where products are needed in low quantities and companies have sizeable R&D budgets. Despite its potential, the technology isn’t yet able to deliver on its promise of producing mass-customized products at a high street volume or price point.    

• LARGE SCALE PRODUCTION

L'impression 3D dans le domaine du sport change la donne et offre des possibilités de croissance presque illimitées pour les amateurs comme pour les athlètes professionnels. Les améliorations de la qualité et des détails des objets imprimés (connues sous le nom de résolution), la plus grande familiarité de l'industrie avec la technologie et la recherche continue de matériaux plus résistants tels que les composites avancés sont à l'origine d'innovations passionnantes.

Pourtant, la technologie a ses limites. L'impression 3D dans le sport est bien adaptée aux niveaux supérieurs, où les produits sont nécessaires en petites quantités et où les entreprises disposent de budgets de R&D importants. Malgré son potentiel, la technologie n'est pas encore en mesure de tenir sa promesse de produire des produits personnalisés en masse à un volume ou un prix élevé.    

• PRODUCTION À GRANDE ÉCHELLE

Dans de nombreux cas, l'impression 3D dans le domaine du sport peut produire un seul article ou un petit lot d'articles plus rapidement et plus efficacement que les méthodes de fabrication traditionnelles. Cependant, la technologie a encore des difficultés lorsqu'il s'agit de volumes plus importants.

Chaque machine ne peut imprimer qu'un certain nombre d'objets à la fois, en fonction de la taille de la machine et de l'objet. L'impression 3D n'est donc pas forcément la technique la plus rapide ou la plus rentable pour de nombreux produits qui pourraient bénéficier d'une personnalisation de masse.

• NORMES RÉGLEMENTAIRES

L'impression 3D dans le domaine du sport est soumise aux mêmes contrôles de qualité que toute autre technologie ou méthode de fabrication. Ces évaluations constituent une étape importante pour faire sortir les innovations des laboratoires de R&D et les amener à une utilisation généralisée. L'industrie du sport n'en étant encore qu'aux premiers stades de l'adoption de l'impression 3D, nombre de ces contrôles doivent encore être effectués ou, dans certains cas, commencés.

Le processus d'approbation des composants critiques pour la sécurité ou des équipements de protection est particulièrement rigoureux. Remplacer des techniques de production éprouvées par quelque chose de nouveau comporte un niveau de risque avec lequel certains fabricants ou organes directeurs sportifs ne sont pas à l'aise. 

Cette situation pourrait changer à mesure que les applications et les matériaux d'impression 3D obtiennent les autorisations nécessaires et que des normes réglementaires appropriées sont élaborées et introduites.

• QUALITÉ INÉGALE

Les imprimantes 3D ne peuvent pas encore imprimer des résultats parfaits à chaque fois. Les taux d'échec dépendent de la machine et du matériau utilisés, ainsi que de l'objet imprimé. En outre, la suppression des irrégularités de surface ou des textures peut nécessiter des étapes de traitement manuel supplémentaires pour obtenir la finition souhaitée.

Des facteurs tels que les taux d'échec et le post-traitement diminueront probablement à mesure que la technologie s'améliorera et que les gens se familiariseront avec l'impression 3D dans le domaine du sport. Pour les objets basés sur un modèle numérisé, la qualité de l'impression finale sera également déterminée par le degré de sophistication de l'équipement de numérisation. Des impressions de meilleure qualité peuvent nécessiter un investissement dans un scanner et une imprimante 3D plus coûteux.

• TAILLE DES PIÈCES

Les imprimantes 3D ont des contraintes de taille inhérentes qui les rendent incapables de produire des composants de grande taille. Dans certains cas, plusieurs petites pièces peuvent être assemblées, mais ce n'est pas toujours la solution idéale.

Les fabricants d'imprimantes 3D s'efforcent de remédier aux limites de taille des machines existantes, par exemple en supprimant les obstacles présents dans les chambres d'impression typiques.

Les casques sont une pièce essentielle des vêtements de sécurité qui protègent contre les fractures du crâne et les lésions cérébrales graves. La façon dont un casque s'adapte à la tête du porteur et le fait qu'il bouge ou non influent sur le degré de protection qu'il offre.

Riddell est une société spécialisée dans les équipements sportifs pour le football américain et est largement connue pour sa gamme de casques et ses technologies de surveillance des impacts sur la tête. Afin de faire progresser la protection sur le terrain pour les joueurs de tous niveaux, Riddell s'est associée à Carbon 3D pour créer la nouvelle génération de casques.

Le modèle de casque Riddell SpeedFlex Precision Diamond associe le processus de numérisation de la tête et d'ajustement du casque Precision-Fit de Riddell à une doublure de casque personnalisée, imprimée en 3D, qui épouse précisément les contours de la tête du joueur.

Chaque casque contient plus de 140 000 entretoises individuelles soigneusement disposées en coussinets en forme de treillis conçus pour une absorption maximale des impacts avec un confort et un ajustement supérieurs. Les structures en treillis sont imprimées dans une résine personnalisée conçue spécialement par Carbon pour répondre aux exigences de performance rigoureuses de Riddell.

Les coussinets se placent entre la coque extérieure du casque et la tête du joueur. Leur conception a été élaborée à partir de l'analyse de plus de cinq millions d'impacts sur le terrain capturés par la technologie de casque intelligent de Riddell. Cette base de données permet de personnaliser et d'individualiser chaque structure en treillis en fonction de la taille, de la position et du style du joueur.

Selon un porte-parole senior de Riddell, il n'y a pas deux joueurs qui jouent de la même façon, ils ont tous des styles et des tendances différents sur le terrain. Avec le SpeedFlex Precision Diamond, les joueurs ne font pas seulement l'expérience de la dernière protection de la tête, mais peuvent également dicter la position du casque pour améliorer les lignes de vue et maximiser la vision du terrain.