Des ingénieurs du prestigieux Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment dévoilé une méthode révolutionnaire dans le domaine de l'impression tridimensionnelle qui promet de transformer la manière dont les objets complexes sont fabriqués, tout en réduisant considérablement la quantité de déchets. Cette innovation repose sur le développement d'une résine spéciale qui modifie ses propriétés en fonction du type de lumière à laquelle elle est exposée, ouvrant de nouvelles possibilités pour une production plus rapide et plus respectueuse de l'environnement.

Une nouvelle ère de la photopolymérisation dans l'impression 3D

La photopolymérisation en cuve (vat photopolymerization - VP) constitue l'une des technologies fondamentales de la fabrication additive, plus connue sous le nom d'impression 3D. Ce procédé utilise la lumière, le plus souvent ultraviolette (UV), pour durcir sélectivement une résine photopolymère liquide, couche par couche, construisant ainsi l'objet tridimensionnel souhaité. Cette technologie est appréciée pour sa capacité à produire des objets de haute résolution avec des détails fins et des surfaces lisses, ce qui la rend idéale pour des produits tels que les prothèses auditives personnalisées, les implants dentaires précis, les protège-dents et divers autres composants nécessitant une adaptation individuelle et des géométries complexes.

Le processus VP classique, cependant, est confronté à un défi inhérent : la nécessité de structures de support. Ces structures sont imprimées en même temps que le produit principal, en utilisant le même matériau, afin d'assurer la stabilité des parties en surplomb et d'éviter les déformations lors de la fabrication. Une fois l'impression terminée, ces supports doivent être retirés manuellement, ce qui est souvent un processus laborieux et chronophage. De plus, les supports retirés finissent le plus souvent comme des déchets, car leur réutilisation est rarement possible, ce qui contribue à l'empreinte écologique de la production.

Résine révolutionnaire aux propriétés doubles

Une équipe d'experts du MIT, situé à Cambridge, Massachusetts, a proposé une solution élégante à ce problème. Ils ont développé une résine innovante capable de former deux types différents de matériaux solides en fonction de la longueur d'onde de la lumière qui agit sur elle. Exposée à la lumière UV, la résine durcit en un matériau extrêmement solide et résistant, idéal pour le produit final. D'autre part, lorsque la même résine est exposée à la lumière visible, elle passe également à l'état solide, mais forme un matériau facilement soluble dans certains solvants.

Cette dualité permet d'imprimer simultanément un objet solide et ses supports en un seul processus intégré. En utilisant des motifs de lumière UV dirigés avec précision pour créer le produit lui-même et des motifs de lumière visible pour former les structures de support, les ingénieurs ont éliminé le besoin de retrait mécanique des supports. Une fois l'impression terminée, l'ensemble est simplement immergé dans le solvant approprié. Les supports se dissolvent rapidement, ne laissant derrière eux que la pièce solide souhaitée, fabriquée à la lumière UV.

Il est intéressant de noter que divers liquides sûrs d'emploi peuvent être utilisés comme solvants, y compris même l'huile pour bébé. Plus important encore, les supports peuvent également être dissous dans le composant liquide principal de la résine d'origine, un peu comme un glaçon fond dans l'eau. Cette découverte ouvre la voie au recyclage continu du matériau utilisé pour les supports. Une fois le matériau de support dissous, ce mélange peut être directement réintroduit dans la résine fraîche et réutilisé pour imprimer les pièces suivantes et leurs supports solubles, réduisant ainsi considérablement les déchets et les coûts de matériaux.

Démonstration de capacités avancées

Afin de démontrer l'efficacité de leur méthode, les chercheurs ont appliqué avec succès la nouvelle technique pour créer une série de structures complexes. Parmi celles-ci figuraient des assemblages d'engrenages fonctionnels, des structures en treillis complexes et d'autres objets qui, avec les méthodes traditionnelles, auraient nécessité un retrait minutieux et long des supports. Un exemple était un modèle de dinosaure à l'intérieur d'une structure de support en forme d'œuf, qui s'est élégamment dissoute pour révéler une figurine parfaitement conservée.

« Désormais, vous pouvez, en un seul processus d'impression, créer des assemblages fonctionnels en plusieurs parties avec des pièces mobiles ou interconnectées, et simplement rincer les supports », explique Nicholas Diaco, doctorant et l'un des chercheurs principaux du projet. « Au lieu de jeter ce matériau, vous pouvez le recycler sur place et générer beaucoup moins de déchets. C'est notre espoir ultime. »

Les détails de cette méthode innovante ont été publiés dans la revue scientifique Advanced Materials Technologies fin 2023. Outre Diaco, les co-auteurs de l'étude du MIT sont Carl Thrasher, Max Hughes, Kevin Zhou, Michael Durso, Saechow Yap, le professeur Robert Macfarlane et le professeur A. John Hart, chef du département de génie mécanique au MIT.

Surmonter les défis de la photopolymérisation conventionnelle

La photopolymérisation en cuve (VP) conventionnelle commence par un modèle informatique 3D de la structure à imprimer. En plus de l'objet lui-même, le modèle comprend des structures de support détaillées situées autour, sous et entre les parties de l'objet afin d'assurer la stabilité pendant l'impression. Le modèle informatique est ensuite « découpé » en centaines ou milliers de fines couches numériques qui sont envoyées à l'imprimante VP.

Une imprimante VP standard se compose d'une petite cuve contenant de la résine liquide au-dessus de laquelle se trouve une source de lumière. Chaque couche du modèle est traduite en un motif lumineux correspondant qui est projeté sur la résine, provoquant son durcissement selon ce motif. Couche par couche, une version solide, imprimée à la lumière, du modèle et de ses supports se forme sur une plateforme de construction. À la fin de l'impression, la plateforme soulève la pièce finie au-dessus du bain de résine. Après avoir rincé l'excès de résine non durcie, suit la phase de retrait manuel des supports, le plus souvent à l'aide d'outils de coupe et de meulage. Ce matériau de support, comme mentionné précédemment, finit presque toujours comme déchet.

« Dans la plupart des cas, ces supports génèrent une grande quantité de déchets », souligne Diaco, mettant en évidence l'un des problèmes clés que la nouvelle méthode résout.

La chimie derrière l'innovation : Impression et dissolution

Diaco et son équipe cherchaient un moyen de simplifier et d'accélérer le retrait des supports imprimés, avec l'objectif idéal de les recycler. Ils ont conçu un concept général de résine qui, en fonction du type de lumière à laquelle elle était exposée, pourrait prendre l'une des deux phases : une phase durable qui formerait la structure 3D souhaitée et une phase secondaire qui servirait de matériau de support, mais serait facilement soluble.

Après des recherches chimiques approfondies, l'équipe a découvert qu'elle pouvait créer une telle résine biphasique en mélangeant deux monomères disponibles dans le commerce, les éléments constitutifs chimiques présents dans de nombreux types de plastiques. Lorsque la lumière ultraviolette éclaire le mélange, les monomères se lient en une structure fortement réticulée, formant un matériau robuste et résistant aux solvants. Lorsque le même mélange est exposé à la lumière visible, les mêmes monomères durcissent également, mais au niveau moléculaire, les chaînes polymères résultantes restent séparées les unes des autres. Le matériau solide ainsi formé se dissout rapidement lorsqu'il est immergé dans certains solvants.

Lors d'essais en laboratoire avec de petits tubes à essai de la nouvelle résine, les chercheurs ont confirmé que le matériau se transformait effectivement en formes insolubles et solubles en réponse à la lumière UV et visible, respectivement. Cependant, lors du passage à une imprimante 3D dotée de LED d'intensité inférieure à celles utilisées en laboratoire, le matériau durci par la lumière UV se désagrégeait en solution. La lumière plus faible ne liait que partiellement les monomères, les laissant trop faiblement entrelacés pour maintenir l'intégrité structurelle.

La solution a été trouvée en ajoutant une petite quantité d'un troisième monomère, dit « pontant ». Cet ajout a permis une liaison plus forte des deux monomères d'origine sous lumière UV, créant un réseau considérablement plus solide. Cette modification a permis aux chercheurs d'imprimer simultanément des structures 3D durables et des supports solubles en utilisant des impulsions de lumière UV et visible synchronisées dans un seul cycle d'impression.

Large éventail d'applications et orientations futures

La nouvelle méthode ouvre la voie à la production de pièces extrêmement complexes, y compris les engrenages, les treillis susmentionnés, et même une bille à l'intérieur d'un cadre carré, où les supports internes sont cruciaux, mais leur retrait représente un défi majeur. « Avec toutes ces structures, vous avez besoin d'un réseau de supports à l'intérieur et à l'extérieur pendant l'impression », explique Diaco. « Retirer ces supports demande normalement un travail manuel minutieux. Cela montre que nous pouvons imprimer des assemblages en plusieurs parties avec de nombreuses pièces mobiles et des produits détaillés et personnalisés comme des prothèses auditives et des implants dentaires de manière rapide et durable. »

Le professeur de génie mécanique John Hart, l'un des responsables de la recherche, ajoute : « Nous continuerons à explorer les limites de ce processus et souhaitons développer des résines supplémentaires présentant ce comportement sélectif en fonction de la longueur d'onde et les propriétés mécaniques nécessaires pour des produits durables. Combiné à la manipulation automatisée des pièces et au recyclage en boucle fermée de la résine dissoute, c'est une voie passionnante vers une impression 3D de polymères à grande échelle, économe en ressources et rentable. »

Les applications potentielles de cette technologie sont vastes. En médecine, outre les prothèses auditives et les implants dentaires déjà mentionnés, des possibilités s'ouvrent pour la création de modèles anatomiques pour la planification chirurgicale avec une précision incroyable, ainsi que pour la production d'appareils orthodontiques. Dans l'industrie, le prototypage rapide de pièces complexes, d'assemblages fonctionnels pour machines, ou même de composants pour la robotique et l'industrie aérospatiale pourrait être révolutionné. La capacité de créer des canaux et des cavités internes complexes sans risque de dommage lors du retrait des supports est particulièrement précieuse.

Ces recherches, qui repoussent les limites de la fabrication additive, sont soutenues, entre autres, par le Centre for Perceptual and Interactive Intelligence (InnoHK) à Hong Kong, la National Science Foundation (NSF) américaine, l'Office of Naval Research américain (Office of Naval Research) et l'U.S. Army Research Office. Un tel soutien généralisé témoigne de l'importance reconnue et du potentiel de cette technologie, non seulement pour la communauté scientifique, mais aussi pour les applications industrielles et les technologies de défense. L'innovation de Cambridge établit ainsi de nouvelles normes en matière de durabilité et d'efficacité de l'impression 3D.

Les développements futurs se concentreront probablement sur l'élargissement de la gamme de matériaux présentant ce comportement sélectif à différentes longueurs d'onde de la lumière, ainsi que sur l'optimisation des propriétés mécaniques, thermiques et chimiques des matériaux ainsi obtenus afin de répondre aux exigences spécifiques des différentes industries. L'intégration avec des solutions logicielles avancées pour la génération automatisée de structures de support optimisées pour la dissolution et le développement de systèmes de manipulation automatisée des pièces et de recyclage de la résine en circuit entièrement fermé sont des étapes clés vers l'application industrielle généralisée de cette technologie prometteuse d'impression 3D.

Source : Massachusetts Institute of Technology