Auteur: Karl D’haveloose

Peut-être s'agit-il d'un raccourci quelque peu simpliste, mais tout le monde semble aujourd'hui d'accord pour dire que la fabrication additive multi-matériaux est encore loin d'avoir atteint sa pleine maturité. Mais quels sont donc les défis à relever et les possibilités offertes par cette technologie émergente dans le domaine de la fabrication additive ? Nous allons ici nous inspirer de l'interview de Ramsey Stevens (CEO de Nano3Dprint), qui est récemment parue dans le magazine américain Machine Design.

Les technologies émergentes constituent des avancées susceptibles de modifier notre façon de travailler et de vivre. La fabrication additive et l'impression 3D font partie des technologies émergentes dans le domaine de la conception de machines. Et pour aller encore un peu plus loin, l'impression 3D multi-matériaux est une technologie émergente dans le domaine de la fabrication additive.

La fabrication additive multi-matériaux est à la pointe de l'innovation, et ce sont des marchés tels que ceux des wearables, des capteurs, des batteries et des cellules photovoltaïques qui en bénéficient. L'impression 3D ne se limite plus à la fabrication d'objets statiques ou passifs, puisqu'elle peut également permettre de fabriquer des produits électroniques dotés de propriétés dynamiques ou actives, telles que la conductivité et le magnétisme (entre autres). Voilà qui ouvre donc la voie à de nouvelles perspectives dans les domaines des textiles intelligents, des dispositifs biomédicaux et de l'industrie automobile, pour ne citer que quelques exemples.

La demande croissante du secteur de l'électronique confirme l'importance de la thèse

Ramsey Stevens, CEO de Nano3Dprint, voit cette demande croissante se développer de ses propres yeux et teste des imprimantes 3D permettant de co-imprimer des circuits conducteurs, afin de pouvoir proposer une solution adaptée aux besoins de fabrication innovante.

Nous avons sélectionné pour vous les déclarations les plus pertinentes de l'interview, afin que vous puissiez mieux comprendre comment d'une simple idée, on peut aboutir à un véritable business case. Commençons par définir ce qu'est l'impression 3D multi-matériaux et ce qui la différencie fondamentalement de tous les autres processus d'impression 3D.

Ramsey Stevens (RS) : L'impression multi-matériaux n'a rien à voir avec la tendance qui consiste à imprimer en utilisant des filaments et des couches de couleurs différentes. Elle requiert en effet l'utilisation de différents matériaux, chacun présentant des caractéristiques différentes. La diversité des matériaux est introduite par l'inclusion d'encres et de pâtes fonctionnelles dans la conception, qui possèdent des propriétés dynamiques telles que la conductivité, le magnétisme, des capacités de détection et une sensibilité aux stimuli externes.

Les nouvelles imprimantes 3D multi-matériaux sont capables d'imprimer avec des encres visqueuses contenant différents alliages, tels que des particules métalliques et d'oxydes métalliques, des polymères, des hydrogels et des élastomères fonctionnels. En combinant les plastiques thermoformés traditionnels avec ces encres et pâtes fonctionnelles, les utilisateurs peuvent personnaliser des dispositifs dont la composition, la structure, les propriétés et la fonctionnalité répondent à leurs besoins. Contrairement à l'impression 3D traditionnelle, qui se limite généralement à un seul matériau, cette nouvelle approche permet de créer un éventail de produits beaucoup plus large.

Il est par exemple possible d'imprimer en 3D des fils en utilisant des pâtes ou des encres conductrices directement dans une pièce en plastique imprimée en 3D, les interconnexions pouvant être intégrées dans la partie structurelle de la conception, telle que la tête d'un robot ou le châssis d'un drone. L'impression 3D de fils dans les domaines de pointe et dans l'électronique imprimée permet d'économiser du temps et de l'argent et de réaliser des conceptions à la fois compactes et conformes. Elle permet aux utilisateurs d'intégrer sans aucune difficulté des circuits imprimés, des éléments chauffants et des circuits dans des impressions de plus grande taille.

Quels sont les avantages de l'impression 3D multi-matériaux pour les fabricants, les chercheurs et les concepteurs ?

RS : "L'impression 3D multi-matériaux permet aux fabricants d'intégrer des matériaux fonctionnels dans des équipements du quotidien, ce qui mène à la création d'équipements personnalisés tels que des wearables, des capteurs, des batteries et des cellules photovoltaïques. Cette technique peut être mise en œuvre dans un contexte de contraintes d'espace et de conception, ce qui permet d'accélérer le rythme de l'innovation et de la R&D tout en réduisant les coûts."

"Les chercheurs bénéficient de la polyvalence de l'impression 3D multi-matériaux en explorant de nouvelles combinaisons de matériaux et en créant des équipements complexes avec des fonctionnalités programmées. Cette technique permet d'accélérer le processus de prototypage et l'innovation, facilitant ainsi le développement de nouvelles solutions dans différents domaines."

Pour les concepteurs, l'impression 3D multi-matériaux offre une flexibilité de conception sans précédent. Elle permet en effet de réaliser des conceptions complexes, conformes et intégrées qui étaient auparavant très difficiles à obtenir. Cette technologie favorise l'innovation en éliminant les contraintes de fabrication traditionnelles (songez notamment aux perturbations de la chaîne d'approvisionnement, aux très grandes séries de production, etc.).

L'impact de l'impression multi-matériaux sur la conception des produits

RS : "En ayant recours à l'impression 3D multi-matériaux, les fabricants sont en mesure d'intégrer des matériaux fonctionnels directement dans des équipements ordinaires. Ces produits fabriqués sur mesure, tels que des wearables, des capteurs, des batteries et des cellules photovoltaïques, peuvent être dotés de circuits intégrés tout en s'adaptant à des contraintes d'espace spécifiques et à des préférences en matière de conception. Cela peut accélérer le processus de prototypage, l'innovation et la recherche, mais aussi permettre d'explorer de nouvelles possibilités d'utilisation et de création. En outre, la fabrication additive multi-matériaux est prête à faciliter la création d'objets plus petits, de géométries complexes et de caractéristiques plus conformes."

Selon Ramsey, l'impression 3D avec des matériaux fonctionnels présente un autre avantage : elle permet de fabriquer des produits électroniques à faible coût et avec un impact minimal sur l'environnement. Par rapport aux méthodes utilisées traditionnellement pour fabriquer des produits électroniques, l'impression 3D avec des pâtes conductrices peut en effet réduire la quantité de déchets matériels et la consommation d'énergie. Elle permet également aux utilisateurs de concevoir et de produire des produits électroniques à la demande, sans avoir besoin d'équipements ou d'installations spécifiques et hors de prix.

Quels défis l'impression 3D multi-matériaux pose-t-elle et comment les relever ?

RS : "La fabrication additive est un secteur qui évolue à un rythme soutenu et dont les possibilités se multiplient sans cesse. Bien que l'impression 3D multi-matériaux soit extrêmement prometteuse, elle se heurte à des obstacles tels que la compatibilité des matériaux, l'amélioration de l'accessibilité et de la fiabilité des imprimantes et l'estimation des besoins en matière de post-traitement."

Pour relever ces défis, Stevens indique que les ingénieurs et les chercheurs s'intéressent désormais activement au développement des matériaux et qu'ils font de la recherche et innovent en permanence pour mettre au point de nouveaux matériaux parfaitement compatibles avec les méthodes de production multi-matériaux. L'émergence de nouvelles imprimantes multi-matériaux disponibles dans le commerce accélère l'adoption de cette technologie et dynamise l'innovation.

Quelles opportunités sont offertes aux marchés des soins de santé, de l'automobile et de la technologie grand public ?

Dans le domaine des soins de santé, l'impression multi-matériaux est particulièrement adaptée à la création de modèles anatomiques spécifiquement adaptés aux patients, avec des implants et des prothèses équipés d'électronique, de capteurs de précision et de systèmes d'administration de médicaments. Les capteurs intégrés dans les plâtres et les appareils orthopédiques, par exemple, permettent un suivi continu du patient, tandis que le placement direct de capteurs sur des tissus vivants offre la possibilité d'obtenir des données en temps réel permettant de prendre des décisions thérapeutiques. Cela favorise la médecine personnalisée et contribue à réaliser d'importantes économies dans le domaine des soins de santé.

Dans le secteur de l'automobile, l'impression 3D multi-matériaux peut améliorer la sécurité des véhicules ainsi que leur rendement énergétique. Ce type de fabrication additive permet de produire des composants électroniques très performants et durables, dans un produit final peu encombrant. La fabrication de composants légers mais robustes et dotés de capteurs permet de rationaliser les chaînes d'approvisionnement, de réduire les coûts et de minimiser les déchets dans l'industrie automobile.

Dans le domaine des technologies grand public, l'impression 3D multi-matériaux offre également aux concepteurs la liberté créative de créer des wearables, des capteurs et des appareils de stockage d'énergie fabriqués sur mesure. L'impression 3D multi-matériaux est plus avantageuse pour les petites entreprises dans le domaine des technologies grand public, car elle permet de rentabiliser les petits volumes de production. Elle aide les concepteurs à élargir leurs possibilités et leur permet de toujours garder une longueur d'avance.

Une révolution à tous les niveaux de la chaîne de valeur

RS : "Le potentiel de l'impression 3D de matériaux fonctionnels est énorme. Cette technique pourrait révolutionner à la fois l'ingénierie, la science et la fabrication en permettant la création d'appareils électroniques nouveaux et innovants présentant des propriétés inédites et toutes sortes de nouvelles fonctionnalités."

RS conclut en précisant ceci : "Au cours de ces dernières années, le développement d'encres fonctionnelles a lui aussi évolué de manière exponentielle. Les nouvelles compositions des encres et les nouvelles imprimantes 3D multi-matériaux accessibles et disponibles dans le commerce accélèrent l'innovation. Maintenant que l'impression multi-matériaux combine des éléments structurels, fonctionnels, électroniques et même biologiques, on peut dire qu'il est possible d'imprimer presque n'importe quoi." En lisant entre les lignes, nous comprenons que nous ne sommes pas vraiment très loin d'atteindre un niveau technologique optimal, mais que le nombre insuffisant de business cases rentables connus constitue malheureusement encore un frein à l'adoption de cette nouvelle technique.