L’impression 3D intégrée imite la nature, ouvrant de nouvelles possibilités pour les semi-conducteurs

Les fabricants ont amélioré leurs méthodes d’impression 3D intégrée au cours des cinq dernières années. Pourtant, une limitation persiste et personne n’a réussi à l’éliminer : la capacité d’imprimer rapidement des structures ultra‑minces, comme celles que l’on trouve dans la nature. En raison de leurs caractéristiques microscopiques, ces structures peuvent être construites extrêmement solides et résilientes, ce qui les rend idéales pour les applications haute performance d’aujourd’hui.

Heureusement, une équipe innovante de chercheurs aurait peut‑être découvert une nouvelle méthode d’impression 3D qui imite la nature, ouvrant la voie à une gamme de nouvelles utilisations, notamment la création de semi‑conducteurs intégrés. Voici ce qu’il faut savoir.

Imiter la nature

La nature utilise de nombreuses structures fibreuses fines, comme les poils ou les vaisseaux sanguins minces qui permettent à vos muscles de recevoir de l’oxygène via la circulation sanguine. Chez certains animaux, ces poils fins peuvent servir de capteurs sous forme de moustaches. Chez d’autres espèces, comme les araignées, ils peuvent être employés comme piège ou comme moyen de construire un abri.

Les lézards et de nombreux autres animaux utilisent des structures semblables à des poils pour escalader des parois verticales. Il existe même des cas où des structures fines en forme de poils servent de mécanisme de défense. L’anguille de mer projette un gel fibreux sur les prédateurs, couvrant leurs branchies et leurs yeux, les étouffant et les aveuglant ainsi.

Les ingénieurs souhaitent depuis longtemps reproduire bon nombre de ces phénomènes naturels, mais les limites des procédés de fabrication actuels les ont rendues impossibles. Les récents progrès de la technologie d’impression 3D intégrée à haute résolution ont permis de résoudre certains problèmes, mais beaucoup subsistent. Aujourd’hui, une nouvelle méthode d’impression 3D promet d’apporter les pièces manquantes du puzzle, ouvrant la voie à une nouvelle vague de structures de conception ultra‑fines.

Méthodes d’impression 3D traditionnelles

L’impression 3D traditionnelle utilise une buse et un solvant qui sont extrudés couche par couche dans un environnement ouvert. Le matériau est ensuite séché à l’aide du temps, de la chaleur ou même de lasers. Les avancées récentes ont permis à l’impression 3D traditionnelle de produire des extrusions plus fines, mais il reste encore beaucoup à faire pour reproduire la nature.

Inconvénients

Les principaux inconvénients des méthodes d’impression 3D traditionnelles comprennent des problèmes tels que l’orientation globale de l’impression. L’objet doit être positionné de façon à ce que chaque couche puisse soutenir la suivante. Dans de nombreux cas, des structures de support doivent être ajoutées puis retirées après le séchage, ce qui augmente la charge de travail et le temps.

L’extrême finesse des impressions ressemblant à des poils que les ingénieurs souhaitent créer s’est avérée impossible à reproduire en plein air. L’intégrité structurelle, la gravité et d’autres forces provoquent le flambage des supports micro‑fins. Une solution consiste à imprimer dans une substance plutôt que dans l’air.

Impression 3D intégrée

L’impression 3D intégrée utilise un autre milieu qui fournit un support à la structure pendant sa polymérisation et son durcissement. Les systèmes d’impression intégrée peuvent recourir à des hydrogels qui permettent à la buse de se déplacer librement tout en maintenant l’objet en place pendant le séchage. Cette approche résout les problèmes de déformation induite par la gravité des structures imprimées lors de l’écriture directe d’encre.

L’impression 3D intégrée présente des avantages supplémentaires. Tout d’abord, le mélange d’hydrogel est réutilisable, ce qui signifie que les imprimantes n’ont pas besoin d’acheter de nouveaux matériaux pour chaque impression. Elles peuvent également utiliser une variété de filaments différents pour créer des structures complexes, le processus offrant un support pendant la polymérisation.

Inconvénients de l’impression 3D intégrée

Cette méthode d’impression 3D intégrée s’est avérée plus efficace pour imprimer certains modèles et des extrusions plus fines, comme les ressorts hélicoïdaux. Cependant, sa capacité à imprimer des fibres semblables à celles de la nature reste limitée par la rupture des filaments due à la capillarité. Les tests montrent que tout ce qui est inférieur à un diamètre de seize microns reste hors de portée des méthodes d’impression 3D intégrée actuelles, en raison de la rupture des filaments provoquée par la tension de surface.

Étude sur l’impression 3D intégrée

Inspirés par la nature, un groupe d’ingénieurs de l’Université Dankook en Corée du Sud et d’autres chercheurs ont présenté une nouvelle méthode d’impression 3D intégrée s’inspirant de la mère nature. Cette approche bio‑inspirée a été publiée dans la revue Nature Communications sous le titre « Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange ». Elle explore une impression rapide, multi‑buse, appelée 3DPX (impression 3D par échange de solvant).

Gel non newtonien

La méthode 3DPX combine l’utilisation de gels non newtoniens avec une nouvelle conception d’imprimante pour imprimer des structures filamentaires d’une épaisseur micrométrique. Notamment, le gel utilise l’échange de solvant pour empêcher la rupture capillaire due à la tension de surface. Ainsi, il permet à la buse d’impression de se déplacer librement grâce à son couple supplémentaire, tandis que les fibres fines perçoivent le gel comme un solide, offrant le support nécessaire.

L’impression 3D imite la nature

De plus, le gel offrait des performances mécaniques supérieures grâce à l’utilisation d’amas de filaments à l’échelle du micron. Il réduit les limitations dues à la rugosité de surface interfaciale des particules de microgel.

Durcissement instantané

Les ingénieurs ont créé le gel avec un mélange de solvants qui fait solidifier l’encre dès qu’elle entre en contact avec lui. Le durcissement instantané a permis au processus d’impression de soutenir des structures super‑fines et complexes qui auraient été impossibles avec les méthodes et matériaux précédents.

Test d’impression 3D intégrée

Pour tester leur théorie, l’équipe a conçu une imprimante 3D sur mesure. L’appareil intégrait un système de table de mouvement de précision, un système de distribution et un ordinateur de contrôle, similaire à la plupart des unités commerciales. La principale différence est qu’il imprime dans un gel de support à rhéologie de fluide à contrainte d’écoulement viscoplastique.

Notamment, l’équipe a testé 7 encres différentes afin de trouver la meilleure option. La sélection comprenait une gamme de matériaux allant des élastomères thermoplastiques au polystyrène et PVC. Des tests supplémentaires ont évalué l’utilisation du copolymère bloc styrène-éthylène-butylène-styrène, du SEBS et du toluène comme solvant.

Résultats de l’impression 3D intégrée

Les résultats des tests ont démontré des capacités impressionnantes. Ils ont constaté que l’échange de solvant entre l’encre extrudée favorisait une solidification rapide, permettant des impressions plus complexes et détaillées. L’imprimante de l’équipe a pu atteindre un diamètre interne de 5 µm sur les impressions grâce à une buse en verre. Le même dispositif a atteint une résolution de finesse de 1,5 micron tout en suivant des trajectoires libres.

Avantages de l’impression 3D intégrée

La capacité d’imprimer des structures à l’aide de matériaux souples avec un diamètre aussi petit qu’un micron ouvre la voie à une révolution en science des matériaux. Les matériaux et structures qui exploitent des structures fines semblables à des poils peuvent offrir un nouveau niveau d’intégrité structurelle.

Plus rapide

Cette méthode d’impression 3D intégrée est plus rapide que les méthodes traditionnelles grâce à la fonction de durcissement instantané. Plus précisément, l’équipe a enregistré la solidification du filament polymère extrudé à une vitesse de 2,33 μm/s. De façon impressionnante, ces données indiquent une vitesse 500 000 fois supérieure à celle des méthodes concurrentes.

Fabrication rapide

De plus, la capacité d’imprimer simultanément avec plusieurs buses ouvre la voie à des applications de fabrication à grande échelle. Plusieurs buses peuvent être configurées pour imprimer comme une chaîne de montage ou pour créer une structure complexe. Ces structures peuvent intégrer différents matériaux. Ainsi, elles peuvent imprimer des circuits électriques, des interrupteurs et bien plus encore.

Flexibilité

La recherche montre que le 3DPX peut prendre en charge un large éventail de matériaux, y compris plusieurs polymères, solvants et composants non solvants disponibles commercialement. Cette flexibilité facilite l’intégration de ce processus dans les procédés de fabrication actuels.

Ce que la technologie d’impression 3D intégrée signifie pour les semi‑conducteurs

Cette approche récente permettrait aux ingénieurs de créer des semi‑conducteurs entièrement actifs imprimés en 3D en s’appuyant sur des percées récentes telles que les fusibles réinitialisables entièrement imprimés en 3D. Cette avancée technologique pourrait avoir un impact retentissant sur l’industrie des semi‑conducteurs, en rendant la fabrication de ces dispositifs plus abordable, efficace et performante.

Chercheurs en impression 3D intégrée

Le Dr Wonsik Eom du département d’ingénierie des matériaux à convergence de fibres de l’Université Dankook en Corée du Sud a travaillé avec une équipe d’ingénieurs, dont les professeurs MechSE Sameh Tawfick et Randy Ewoldt, pour présenter cette nouvelle étude d’impression 3D au public. À l’avenir, ils prévoient d’élargir les tests afin d’examiner encore plus de matériaux et de gels.

Entreprises leaders de l’industrie de l’impression 3D intégrée

La fabrication additive a parcouru un long chemin au cours de la dernière décennie. Aujourd’hui, de nombreux types de méthodes d’impression vont de la création de matériaux composites pour les engins spatiaux jusqu’à l’impression d’organes humains et tout le reste. Voici une entreprise prête à maximiser toutes les avancées de l’impression 3D.

Materialise

L’entreprise belge de logiciels et de fabrication d’impression 3D, Materialise (MTLS ) reste un pionnier sur le marché. Elle a été fondée par Wilfried Vancraen et Hilde Ingelaere en 1990 pour offrir des options de prototypage rapide aux fabricants. De façon impressionnante, cette société a introduit plusieurs premières au cours des trois dernières décennies.

Aujourd’hui, le logiciel d’impression 3D de Materialise est populaire auprès des fabricants grâce à ses modules. En particulier, il existe des modules pour la création de treillis et l’imbrication de pièces. Ces options aident les développeurs à créer des conceptions plus légères et plus solides et pourraient être idéales pour la création de structures microns‑fines.

Materialise propose des produits dans de multiples secteurs, du domaine médical aux cas d’utilisation industrielle. Elle est reconnue comme l’une des principales actions d’impression 3D pour les investisseurs. En conséquence, elle pourrait constituer un ajout judicieux au portefeuille de ceux qui recherchent une action d’impression 3D réputée disposant de plusieurs décennies d’expérience.

Impression 3D intégrée – Ordinateurs plus rapides et plus légers

Il existe de nombreuses utilisations pour les structures 3D ultra‑fines. En examinant le désir des développeurs matériels de pouvoir imprimer des puces complètes en un seul processus, les recherches de cette équipe s’avéreront une ressource précieuse à l’avenir. D’une part, ces recherches ouvrent la voie à de nombreuses percées en science des matériaux et dans d’autres domaines.

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Référence de l’étude:

^{1. Eom, W., Hossain, M. T., Parasramka, V., Kim, J., Siu, R. W. Y., Sanders, K. A., Piorkowski, D., Lowe, A., Koh, H. G., De Volder, M. F. L., Fudge, D. S., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). (2025). Impression 3D rapide de fibres fines, continues et souples via échange de solvant intégré. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}