Accessibilité de l’impression 3D améliorée grâce aux nouvelles techniques à deux lasers, promettant de réduire les coûts

Un groupe de chercheurs innovants a découvert une façon de réduire les coûts d’impression 3D et d’améliorer les performances grâce à une nouvelle méthode d’impression à deux lasers. L’équipe de l’Université Purdue a publié une étude détaillée de leurs découvertes dans la revue scientifique Optics Express. L’étude explore les détails d’une technique avancée de fabrication additive par laser bicolore qui améliore le modèle actuel de polymérisation à deux photons. Voici tout ce que vous devez savoir.

Processus de fabrication additive d’aujourd’hui

Pour bien comprendre l’importance de cette étude, il est judicieux de jeter un rapide coup d’œil à l’évolution du processus de fabrication additive. Le concept d’impression 3D a été un parcours passionnant qui ressemble parfois à de la science-fiction. Ces appareils sont passés des bandes dessinées à l’une des méthodes les plus populaires, et souvent la seule façon de créer certains dispositifs.

Extrusion de matériau

Les premières imprimantes 3D utilisaient une méthode appelée extrusion de matériau. Une buse chauffée faisait passer un long bobine de filament thermoplastique. Le filament était chauffé jusqu’à devenir malléable, puis appliqué en couches pour former la forme requise. Ce type d’imprimante 3D est aujourd’hui l’option la plus abordable et la plus largement utilisée.

Lit de poudre

Les imprimantes 3D à lit de poudre sont utilisées pour créer des pièces en métal et en céramique. Cette méthode d’impression 3D intègre un lit chauffé et une imprimante à jet d’encre qui pulvérise un matériau liant. Ce matériau construit la pièce couche par couche et permet des conceptions 3D complexes. Les développements récents de cette approche ont rendu possible l’impression de plusieurs matériaux et même d’électroniques.

Dépôt de filament fondu

Le dépôt de filament fondu utilise un filament thermoplastique déposé par extrusion de matériau. Ensuite, des lasers sont employés pour mouler et fixer la forme de la pièce avec une grande précision. Notamment, l’utilisation de lasers dans le secteur de la fabrication additive est courante, la première utilisation de la stéréolithographie (SLA) datant de 1984.

Polymérisation à deux photons (TPP)

Aujourd’hui, la méthode de polymérisation à deux photons (TPP) est la plus couramment utilisée pour les impressions industrielles à l’échelle micron. Cette méthode repose sur deux lasers femtosecondes capables de mouler, de durcir et de solidifier des composites spécialement conçus. Elle offre une grande précision et est une méthode éprouvée pour créer des microstructures et d’autres petits dispositifs détaillés qui seraient impossibles à réaliser avec d’autres méthodes.

Problèmes de cette approche

De nombreux problèmes liés à la méthode TPP ont poussé les chercheurs à explorer des alternatives. Tout d’abord, les lasers femtosecondes sont très coûteux, sensibles et nécessitent une grande précision. La moindre altération peut obliger ces appareils à subir une maintenance lourde.

Chercheurs

Conscients de ces inefficacités, des chercheurs dirigés par l’ingénieur de l’Université Purdue, Xianfan Xu, ont élaboré une nouvelle approche multicouche promettant de réduire les coûts. Pour accomplir cette tâche, l’équipe a dû surmonter divers obstacles, allant des interférences laser à l’ajustement. Voici comment ils ont pu renverser les pronostics et créer un processus de fabrication totalement nouveau, susceptible de bouleverser le marché.

Étude à deux lasers

L’étude « Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power » examine l’utilisation d’un laser à moindre puissance pour gérer certaines tâches qui nécessitaient auparavant deux unités femtosecondes. Pour cela, l’équipe a créé un dispositif de lithographie à deux photons sur mesure. Cette configuration comprend un chemin laser secondaire vers le plan d’impression, permettant aux chercheurs de recueillir des données précieuses en temps réel sur les effets du laser.

Étape 1 – Préparer le matériau

La première étape entreprise par les chercheurs consistait à soumettre le matériau à un processus photochimique. Ce processus aide à réduire les espèces inhibitrices dans le matériau, le rendant plus malléable aux lasers utilisés pour le moulage et le durcissement. Ainsi, cette étape supplémentaire a permis aux chercheurs d’éliminer l’utilisation de deux lasers femtosecondes.

Laser à faible coût

Le nouveau processus a permis aux chercheurs d’exploiter une option moins coûteuse pour les premières interactions laser. L’équipe a éliminé une unité femtoseconde et l’a remplacée par une option à lumière visible fonctionnant en collaboration avec le dispositif à haute puissance. Ce laser à faible coût a été réglé pour compléter le laser femtoseconde sans ajouter d’interférences.

Laser femtoseconde

Le laser femtoseconde choisi pour le test était un laser à fibre pulsé nanoseconde (ns) de 532 nm de MPB Communications Inc. L’appareil offre une grande capacité de réglage, permettant à l’équipe d’essayer différentes fréquences de répétition. L’équipe a finalement opté pour une fréquence de répétition de 80 MHz avec une largeur d’impulsion de 1,2 ns.

Miroirs à deux lasers

Les impulsions ont été davantage concentrées à l’aide d’un objectif à immersion d’huile Nikon, NA = 1,49 100X. Cette approche a intégré des miroirs ultrarapides hautement dispersifs d’Edmund Optics afin d’initier une dispersion de précompensation. De plus, un laser hélium-néon (HeNe) a été utilisé pour garantir la précision. Plus précisément, ce faisceau assurait la répétabilité du trajet du laser.

Un exercice d’équilibre avec deux lasers

La précision requise pour créer ce nouveau processus de fabrication a obligé les ingénieurs à élaborer un nouveau modèle mathématique. Ce modèle a permis de cartographier les réactions de photopolymérisation à travers les états. Par le passé, des modèles séparés étaient utilisés pour calculer l’état excité et la cinétique de polymérisation subséquente du laser.

Le modèle mis à jour a permis aux chercheurs de mesurer avec précision l’effet combiné des processus d’excitation à deux photons et à photon unique en temps réel. Cette capacité a permis à l’équipe de déterminer les exigences de consommation d’énergie les plus faibles pour le laser femtoseconde afin d’accomplir ses tâches sans perte de performance.

Tests à deux lasers

Les chercheurs ont ensuite commencé à tester leur création sur plusieurs conceptions. Ces différentes structures 2D et 3D ont été choisies en raison de leur complexité et de leur taille. L’équipe voulait s’assurer que leur dispositif pouvait être réalisé à l’échelle du micron. Ainsi, les premiers objets imprimés étaient des piles de bois détaillées mesurant 25 × 25 × 10 μm.

Source – Optica

L’équipe ne s’est pas arrêtée aux piles de bois. Elle a également imprimé un buckyball microscopique, une structure chirale et un nœud trèfle. Ces formes ont été choisies car elles permettaient à l’équipe de démontrer plusieurs aspects de leurs recherches. Voici ce que les résultats des tests indiquent sur leurs efforts.

Résultats

Les résultats des tests ont montré une amélioration considérable de l’unité. Le dispositif a pu imprimer toutes les pièces en utilisant 50 % moins d’énergie. La réduction de puissance a été obtenue de plusieurs manières. Tout d’abord, les chercheurs ont réduit les lasers femtosecondes d’un dispositif de 800 nm à un laser de 530 nm. Ce changement a ajouté de l’efficacité sans diminuer les performances grâce à la nouvelle méthode.

De plus, le nouveau processus a pu produire des résultats similaires à la norme industrielle en utilisant moins de matériau et de temps. Plus précisément, l’absorption à photon unique d’un laser à longueur d’onde visible a réduit la concentration d’inhibiteur tout en fournissant des résultats comparables.

Intégration facile

L’un des plus grands avantages de cette étude est que la nouvelle méthode peut être facilement intégrée aux méthodes actuelles à moindre coût. Cette approche aiderait à réduire les dépenses en éliminant la nécessité pour les fabricants d’acheter de nouveaux appareils. Au lieu de cela, leurs installations actuelles peuvent être rétrofitées pour utiliser la nouvelle méthode à faible coût.

Applications à deux lasers

Il existe plusieurs applications immédiates pour cette technologie. La fabrication additive est plus populaire que jamais, et toute méthode permettant de réduire les coûts et d’améliorer les performances recevra certainement le soutien du secteur. Voici quelques autres applications de cette technologie.

Microélectronique/robotique

L’échelle miniature à laquelle ces appareils peuvent imprimer les rend idéaux pour la microélectronique et la robotique. Ces unités sont notoirement difficiles à fabriquer et sont devenues une partie essentielle de nombreuses industries. Ainsi, ce nouveau processus de fabrication faciliterait la création et le prototypage de nouvelles structures destinées à ces appareils.

Biomédical

Les soins de santé constituent un autre domaine où ces microstructures et appareils sont utilisés. De minuscules échafaudages et structures sont désormais employés pour l’ingénierie tissulaire et d’autres dispositifs bio-robotiques. Ces unités aident les personnes à se remettre plus rapidement des blessures et à profiter d’une meilleure qualité de vie.

Entreprises qui pourraient bénéficier de cette recherche dès aujourd’hui

De nombreuses entreprises pourraient tirer profit de cette recherche dans les années à venir. Du biomédical à l’usage militaire et industriel, les systèmes de fabrication additive microscopique pourraient voir leurs performances s’améliorer grâce à la nouvelle méthode d’impression laser multicolore. Voici quelques entreprises qui pourraient intégrer immédiatement cette technologie et en voir les résultats.

1. Medtronic

MDT Graphique du prix

Medtronic, basé aux États‑Unis, est un leader mondial dans le domaine des dispositifs médicaux. Le fabricant a été fondé en 1949 en tant qu’atelier de réparation médicale. Aujourd’hui, l’entreprise détient de nombreux brevets en technologie médicale et est l’un des noms les plus reconnus du secteur.

Medtronic a été un pionnier dans l’industrie des stimulateurs cardiaques et a été l’un des premiers à breveter un dispositif implantable. Depuis, elle reste une force dominante sur le marché, continuant d’introduire de nouvelles technologies pour améliorer la vie des patients. L’intégration d’une méthode d’impression laser bicolore améliorerait considérablement leurs offres en leur permettant de réduire la taille de leurs dispositifs.

Medtronic est l’un des fabricants de dispositifs médicaux les plus prospères au monde. En 2024, l’entreprise a réalisé un chiffre d’affaires de 32 milliards de dollars. Aujourd’hui, ses innovations continues et son positionnement en font un ajout idéal à tout portefeuille.

2. Abbott Laboratories

ABT Graphique du prix

Abbott Laboratories (ABT ) existe depuis 1888. Elle a été fondée dans l’Illinois et est rapidement devenue l’un des noms les plus reconnaissables du secteur. Abbott Laboratories propose une gamme de produits, notamment des médicaments pharmaceutiques, des dispositifs médicaux, des compléments alimentaires et des suppléments nutritionnels.

Abbott Laboratories possède des produits couvrant plusieurs secteurs de l’industrie médicale. Plus précisément, elle est reconnue pour ses offres cardiovasculaires, de diagnostic, de diabète et de neuromodulation. De plus, elle possède des filiales très populaires telles que Pedialyte et Similac, leaders dans la production de préparations pour nourrissons.

La performance boursière d’Abbott Laboratories est restée en hausse. La combinaison d’appareils médicaux et d’offres nutritionnelles fait de l’entreprise une position « hold » solide pour tout investisseur. L’avenir s’annonce prometteur pour cette société qui joue désormais un rôle clé dans la fourniture d’appareils de santé cardiaque à l’échelle mondiale.

Avenir

Peu d’industries ont connu une telle innovation que le marché de la fabrication additive. Cette dernière avancée contribuera à stimuler l’utilisation de ces appareils dans la robotique miniature et les dispositifs électroniques tels que les objets connectés. À l’avenir, les micro-objets connectés et les dispositifs médicaux implantables occuperont une place plus centrale dans le secteur. Voici d’autres avancées récentes de l’impression 3D qui pourraient favoriser l’adoption.

Imprimantes spatiales

Il y a eu récemment des développements dans le secteur de l’impression spatiale. Ces unités diffèrent de leurs homologues terrestres en ce qu’elles doivent pouvoir imprimer des couches sans l’aide de la gravité. Cette tâche n’est pas facile à réaliser, car toutes les méthodes actuelles nécessitent une approche par couches.

Les chercheurs ont pu surmonter ces problèmes en utilisant des mathématiques complexes et en enfermant le dispositif. L’enceinte remplit plusieurs fonctions, notamment protéger les astronautes des fumées mortelles ou d’autres incidents pouvant compromettre l’atmosphère hautement sensible d’un vaisseau spatial.

Imprimantes IA

Les imprimantes 3D IA deviennent de plus en plus courantes. L’intégration d’algorithmes IA avancés a un impact retentissant sur presque toutes les industries technologiques. À l’avenir, vous pourrez demander des impressions 3D simplement par chat ou par la voix.

L’IA continue d’offrir un moyen simplifié pour les personnes de surmonter les barrières techniques. Ainsi, elle est considérée par beaucoup comme l’une des avancées les plus importantes du marché. À l’avenir, les stations d’impression 3D IA et d’autres services seront monnaie courante. Pour l’instant, cette technologie continue de simplifier les interactions et d’éliminer les obstacles techniques pour les nouveaux utilisateurs.

Robots auto‑réparateurs

Un autre scénario de science-fiction devenu réalité est celui des robots auto‑réparateurs. Il n’a pas fallu longtemps aux chercheurs pour créer une imprimante 3D capable d’imprimer toutes les pièces nécessaires à son fonctionnement. Aujourd’hui, ce même concept est appliqué à la robotique. Les robots auto‑guérissants et réparateurs aideront la société à fonctionner à l’avenir, en prenant en charge des tâches difficiles et des emplois que la personne moyenne ne pourrait pas gérer.

L’impression laser bicolore est une mise à niveau majeure

Le travail de ces chercheurs aura un impact retentissant sur l’industrie de l’impression 3D à l’avenir. Vous pouvez vous attendre à voir davantage de micro‑robotique et de dispositifs électroniques exploiter cette méthode pour réduire les coûts et améliorer les résultats. Ainsi, cette équipe a posé les bases d’une nouvelle ère de la fabrication additive microscopique.

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