Des particules microscopiques imprimées en 3D pourraient changer la médecine et l'électronique

Les révolutions dans le monde de l'impression 3D se succèdent à un rythme soutenu. Au début du mois, une entreprise allemande créé La Wave House a été réalisée par impression 3D. Il s'agit du plus grand bâtiment imprimé en 3D d'Europe, d'une superficie de 600 m². Son apparence inhabituelle est due au fait qu'il présente un design en forme de vague qui n'aurait pas pu être réalisé avec des méthodes de construction conventionnelles. La technologie d'impression 3D a permis la liberté de conception et a pris environ 140 heures.

La semaine dernière, le tout premier projet mondial de l Mosquée imprimée en 3DLa mosquée de Jeddah, en Arabie saoudite, d'une superficie de 5 600 m², a ouvert ses portes. Il a fallu six mois pour achever la construction de la mosquée.

En matière de technologie d'impression 3D, l'entreprise texane ICON a récemment dévoilé son imprimante 3D montée sur un bras robotisé, appelée Phoenix. Cette imprimante peut créer des structures à plusieurs étages avec des systèmes entièrement fermés à partir d'un mélange à faible teneur en carbone. Avec une hauteur de 70 pieds, Phoenix permet des constructions plus hautes (jusqu'à 27 pieds) que l'imprimante actuelle d'ICON, Vulcan, qui dispose d'un système de portique dont le châssis est plus proche du sol. 

L'entreprise a également annoncé le développement d'un nouveau mélange de matériaux appelé CarbonX, qui est "le système de construction résidentielle à plus faible teneur en carbone prêt à être utilisé à grande échelle". En outre, ICON a intégré l'IA dans ses systèmes afin que tout le monde puisse concevoir des plans de maisons imprimables en 3D via sa plateforme Vitruvius.

Mais ce n'est pas tout. Le mois dernier, l'impression 3D autorisé la création de prothèses oculaires extrêmement réalistes en seulement 90 minutes, alors qu'il faut habituellement 8 heures à un technicien qualifié pour en fabriquer une manuellement. Il y a aussi l'impression 3D de drones, de propulseurs et d'explosifs. 

L'impression 3D, comme nous l'avons vu plus haut, progresse manifestement à un rythme rapide, ce qui est logique étant donné que l'intérêt pour ce domaine augmente considérablement. Cet intérêt croissant est dû à la capacité de cette technique à créer des formes personnalisées et à imprimer plusieurs types de matériaux en une seule pièce, ce qui permet d'économiser de l'argent et des matériaux tout en respectant l'environnement.

Également appelée fabrication additive, l'impression 3D consiste à déposer un matériau couche par couche à l'aide d'une imprimante pour construire un objet. Cependant, elle n'est pas sans poser de problèmes, notamment en ce qui concerne les matériaux limités, le façonnage de certains matériaux, la taille restreinte, les imprécisions de conception, etc.

Les scientifiques s'efforcent donc de trouver des moyens de surmonter ces difficultés et de rendre l'impression 3D encore plus efficace et utilisable à grande échelle.

Récemment, une étude a mis au point un nouveau procédé d'impression 3D à l'échelle microscopique qui permet de développer des particules, à un rythme pouvant aller jusqu'à 1 million par jour, en presque n'importe quelle forme pour une utilisation dans la fabricationLa recherche, la médecine et l'éducation sont les principaux domaines d'activité de l'UE. 

Impression 3D de particules microscopiques

Publiée dans la revue Nature, la étude s'intitule "Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles" et a été réalisée par des chercheurs de l'université de Stanford. 

Parmi les personnes impliquées dans l'étude figurent Jason M. Kronenfeld, étudiant en doctorat au département de chimie de Stanford, Lukas Rother et Maria T. Dulay, qui travaillent tous deux au département de radiologie. Max A. Saccone et Joseph M. DeSimone appartiennent tous deux au département de radiologie et au département de génie chimique.

Dans l'étude, les chercheurs notent que la fabrication de particules devient populaire grâce à ses diverses applications en microélectronique, abrasifs, systèmes granulaires, microfluidique, bio-ingénierie et administration de médicaments et de vaccins.

Bien que ces particules extrêmement petites imprimées en 3D aient un large éventail d'applications, elles nécessitent une coordination précise entre le mouvement de la scène, la diffusion de la lumière et les propriétés de la résine (une substance très collante). Il est donc difficile d'obtenir une fabrication évolutive de ces particules personnalisées à micro-échelle. 

C'est pourquoi les chercheurs de Stanford ont introduit une technique d'impression 3D à haute résolution, modulable pour la fabrication de particules de forme spécifique. Cette technique de traitement, qui repose sur la production d'interface liquide continue de rouleau à rouleau (r2rCLIP), est beaucoup plus efficace pour imprimer chaque jour d'énormes quantités de particules microscopiques personnalisables et très détaillées.

Selon l'auteur principal de l'étude, M. Kronenfeld, candidat au doctorat dans le laboratoire de M. DeSimone, cette technique permet de créer des formes plus complexes à l'échelle microscopique, à partir d'une large gamme de matériaux, et à des vitesses jamais atteintes auparavant pour la fabrication de particules. 

La recherche s'appuie sur la technique d'impression appelée production d'interface liquide continue (CLIP), qui a été introduite il y a près de dix ans, en 2015, par DeSimone et ses collègues. 

Le CLIP utilise la lumière UV et la projette en tranches pour polymériser rapidement la résine dans la forme souhaitée. La particularité de cette technique réside dans le fait qu'au-dessus du projecteur de lumière UV se trouve une fenêtre qui permet à l'oxygène de pénétrer. Cette fenêtre perméable à l'oxygène empêche la résine liquide d'y adhérer en créant ce que l'on appelle une "zone morte". Nous sommes donc en mesure de polymériser des éléments délicats sans arracher chaque couche de la fenêtre, ce qui accélère l'impression des particules.

Le co-auteur DeSimone, professeur de médecine translationnelle Sanjiv Sam Gambhir à Stanford, est à l'origine de plusieurs percées dans les domaines des dispositifs médicaux, de la nanomédecine et de l'impression 3D :

"L'utilisation de la lumière pour fabriquer des objets sans moule ouvre un nouvel horizon dans le monde des particules. 

La réalisation de ce projet à un niveau modulable peut offrir des possibilités supplémentaires d'utiliser ces particules "pour faire fonctionner les industries du futur", a-t-il ajouté.

Cliquez ici pour découvrir ce qui fait de l'impression 3D un marché potentiel de $500 milliards d'euros.

r2rCLIP pour permettre la production de masse

Sur la base de CLIP, les chercheurs ont créé un nouveau processus de production en série de produits de forme unique. particules à l'échelle nanométrique. Ils ont d'abord tendu un film avec soin et l'ont envoyé à l'imprimante CLIP, où des centaines de formes ont été imprimées sur le film en même temps.

Ensuite, on passe au lavage, au durcissement et à l'enlèvement des formes. Toutes ces étapes peuvent être personnalisées en fonction du matériau utilisé et de la forme concernée. Le film vide est enfin enroulé, d'où le nom de CLIP roll-to-roll, ou r2rCLIP. 

L'utilisation d'une optique à résolution de l'ordre du micron, ainsi que d'un rouleau de film continu au lieu d'une plate-forme statique, a permis aux chercheurs de fabriquer rapidement des particules permutables et de les faire décoller à partir de différents matériaux et avec des géométries plus complexes. 

Selon l'étude, les géométries incluaient celles qui ne pouvaient pas être obtenues avec des techniques avancées basées sur les moules, mettant ainsi en évidence les capacités uniques de l'approche de l'équipe.

Les formes moulables et non moulables de r2rCLIP ont été présentées avec des voxels (un seul échantillon sur une grille 3D régulièrement espacée) de 2,0 × 2,0 µm2 en impression et d'une épaisseur non soutenue de 1,1 ± 0,3 µm. 

Avant le CLIP rouleau à rouleau, un lot de particules imprimées devait être traité manuellement, ce qui est un processus lent nécessitant un effort physique important. L'automatisation du r2rCLIP permet désormais de fabriquer des particules à un niveau sans précédent, c'est-à-dire jusqu'à 1 000 000 de particules par jour.

Le processus d'impression des particules a été entièrement automatisé grâce au remplacement de la plaque de construction statique de l'imprimante CLIP par un système modulaire de rouleau à rouleau à film continu. Cela permet un post-traitement automatisé en ligne qui comprend le nettoyage, la post-polymérisation et le décollage des particules (récolte). 

Dans son article, l'équipe note que l'un des grands avantages de la technique CLIP de rouleau à rouleau pour la fabrication de particules est son processus inné sans moule. Cela permet de produire une large gamme de géométries de particules sans avoir à modifier la disposition.

Lorsqu'il s'agit de fabriquer des particules, les différentes approches impliquent des compromis entre l'extensibilité, la vitesse, l'uniformité, les propriétés des matériaux et le contrôle géométrique. Par exemple, si certains procédés permettent d'imprimer à l'échelle du nanomètre, ils ont tendance à être plus lents. 

"Nous recherchons un équilibre précis entre vitesse et résolution", a déclaré M. Kronenfeld. Leur technique, a-t-il noté, est "distinctement capable" de produire des résultats à haute résolution, mais elle peut également préserver la vitesse nécessaire pour répondre aux volumes de production de particules requis pour différentes applications. 

Il a ajouté :

"Les techniques susceptibles d'avoir un impact translationnel doivent pouvoir être adaptées de l'échelle du laboratoire de recherche à celle de la production industrielle. 

Vastes applications

La recherche, qui a été financée par le National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program et la Bill & Melinda Gates Foundation, vise à être largement adoptée par d'autres chercheurs et par l'industrie.

L'impression 3D évoluant rapidement, r2rCLIP représente ici "une technologie fondamentale", a déclaré M. DeSimone, qui est directeur fondateur du Center for STEMM Mentorship de Satnford, codirecteur du Canary Center for Cancer Early Detection à Stanford et membre de la faculté Sarafan ChEM-H.

Toutefois, selon M. DeSimone, l'industrie commence à se concentrer sur les produits 3D plutôt que sur ces processus, qui "deviennent clairement précieux et utiles". La question qui se pose est donc la suivante : 

"Quelles sont les applications à forte valeur ajoutée ?

Selon l'étude, les particules microscopiques aux motifs complexes permettent une intégration directe dans les applications analytiques, biomédicales et de matériaux avancés.

Les chercheurs eux-mêmes ont expérimenté la production de particules molles et dures, composées d'hydrogels, qui peuvent trouver des applications dans l'administration de médicaments dans le corps, et de céramiques, qui peuvent être utilisées dans la fabrication de produits microélectroniques.

En les utilisant dans la production de particules d'hydrogel, il devient possible de remplir ces particules pour obtenir des profils de libération ajustables, gradients ou pulsatiles dans une injection unique. De nombreuses études ont déjà exploré la création de systèmes de résine photopolymère appropriés et examiné l'influence de la forme, de la taille et de la biocompatibilité des matériaux sur la localisation et la libération. Cela a conduit à la création de bioscaffolds et de collecteurs d'administration, qui ont ouvert de nombreuses perspectives pour la fabrication de particules d'hydrogel destinées à l'administration de médicaments, bien qu'elles n'impliquent pas de procédure de fabrication évolutive et permutable. 

Ici, l'équipe a fabriqué des cubes d'hydrogel d'une taille unitaire de 400 µm et les a remplis manuellement d'environ huit nl de substances représentatives après l'impression, puis les a recouverts d'un bouchon d'hydrogel. L'étude a mis en évidence le potentiel d'une palette programmable de libération de cargaisons dans le cadre de recherches futures, en s'appuyant sur des études antérieures sur la cinétique des vecteurs de médicaments et en exploitant les propriétés ajustables du poids moléculaire et de l'épaisseur de la paroi.

La polyvalence matérielle et mécanique, de la céramique à l'hydrogel, peut également contribuer à la création de matériaux intelligents. Ainsi, en démontrant un potentiel de fabrication sur une gamme aussi large, cette approche de production de particules évolutive a également des applications potentielles dans le domaine des micro-outils et de l'électronique, a ajouté l'entreprise. 

Le haut débit de la technique (r2rCLIP) a des implications directes pour la production à l'échelle industrielle de micro-dispositifs tels que les microrobots et les systèmes de livraison de fret. Cette technique est particulièrement adaptée à la production de matériaux céramiques. 

Selon l'étude, l'utilisation de résines précéramiques pour fabriquer des particules céramiques techniques à grande échelle pourrait avoir des applications dans les systèmes microélectromécaniques, les techniques de planarisation mécanique en tant que composants de boue, et les particules conductrices qui permettront des applications industrielles telles que les télécommunications et les soins de santé.

Selon M. Dulay, chercheur principal :

"Il existe un large éventail d'applications, que nous commençons à peine à explorer. C'est assez extraordinaire de voir où nous en sommes avec cette technique".

Entreprises utilisant des approches innovantes en matière de fabrication additive

Jetons un coup d'œil sur quelques entreprises qui ouvrent la voie à l'impression 3D :

#1. HP Inc.

HP Inc., un nom bien connu dans l'industrie de l'impression traditionnelle, a fait beaucoup de progrès dans le domaine de l'impression 3D, notamment avec sa technologie Multi Jet Fusion (MJF), qui est conçue pour la production industrielle. Elle permet d'imprimer en 3D à grande vitesse et de contrôler les propriétés de chaque voxel. La Jet Fusion de l'entreprise pour la production industrielle et le prototypage comprend la série 5600 pour optimiser les applications de production flexible à l'échelle 1, la série 5400 pour les applications blanches de qualité, la série 5200 pour produire des pièces 3D finales de grande valeur, et la série 4200 pour optimiser la productivité et les coûts.

Cette semaine, HP prévoit de présenter des pièces imprimées en 3D à l'aide de son nouveau matériau, le PA 12 S, lors de la conférence annuelle AM Forum à Berlin. Ce matériau est conçu sur mesure pour les solutions polymères 3D de l'entreprise utilisées dans l'industrie et offre des avantages tels que la réduction des coûts et une excellente esthétique de surface.

Avec une capitalisation boursière de $29,83 milliards, les actions de la société se négocient à $30,66, en hausse de 1,1% depuis le début de l'année (YTD). La société a enregistré un chiffre d'affaires (TTM) de $53,1 milliards, un BPA (TTM) de 3,41, et un P/E (TTM) de 8,91. Le rendement du dividende est de 3,62%.

#2. Materialise NV

Cette entreprise belge propose une large gamme de services d'impression 3D, y compris l'impression de métaux et de polymères. L'entreprise est particulièrement connue pour son expertise dans le secteur des soins de santé, où elle utilise l'impression 3D pour des implants, des guides chirurgicaux et des modèles anatomiques. 

À la fin de l'année dernière, Ricoh, une société japonaise d'imagerie et d'électronique, s'est associée à Materialise pour introduire l'impression 3D sur le lieu de soins dans les hôpitaux américains, ce qui permettra de produire des modèles anatomiques de l'anatomie d'un patient. Le mois dernier, Materialise a lancé un traitement personnalisé de l'articulation temporo-mandibulaire (ATM) imprimé en 3D.

Avec une capitalisation boursière de $293,56 mln, les actions de la société se négocient à $5,36, en baisse de plus de 24% YTD. La société a enregistré un chiffre d'affaires (TTM) de $278,69 mln, un BPA (TTM) de 0,13, et un P/E (TTM) de 39,57.

Récemment, la société a annoncé ses résultats financiers pour le quatrième trimestre et l'ensemble de l'année 2023, au cours desquels son chiffre d'affaires a augmenté de 4,1% pour atteindre 65,3 millions d'euros et de 10,4% pour atteindre 256,1 millions d'euros, respectivement, malgré les "conditions macroéconomiques et géopolitiques turbulentes".

Materialise a également fait état de 128 millions d'euros de trésorerie et d'équivalents de trésorerie, ce qui, selon Brigitte de Vet-Veithen, son PDG, ainsi que le financement supplémentaire obtenu, lui permet d'être "bien positionnée" pour continuer à offrir des produits 3D innovants et des solutions logicielles.

Conclusion

Comme nous l'avons vu plus haut, l'impression 3D présente de grands avantages dans plusieurs secteurs, notamment le médical, l'automobile, l'aérospatiale, les biens de consommation, la bijouterie, la défense et l'armée. Alors qu'elle suscite déjà une curiosité et une utilisation croissantes, son adoption ne fera que croître dans les années à venir, à mesure que la recherche permettra la production d'objets à grande échelle. Les L'avenir de l'impression 3D est tout simplement brillantqui promet de révolutionner l'industrie manufacturière et de créer un avenir plus résilient.