Le prochain saut dans l’impression 3D : faire croître des métaux robustes

Des scientifiques de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ont créé une nouvelle méthode d’impression 3D capable de transformer de simples hydrogels en métaux et céramiques haute performance.

Ils ont essentiellement fait croître du métal en permettant de multiples infusions de sels métalliques qui forment des structures extrêmement solides et denses, sans la porosité des méthodes antérieures. Les résultats montrent que les métaux créés avec cette nouvelle technique sont 20 fois plus résistants et présentent beaucoup moins de retrait. 

Cette percée promet une production efficace de dispositifs de prochaine génération dans les domaines de l’énergie, du capteur et du biomédical.

Pourquoi les matériaux architecturés ont besoin d’une meilleure impression 3D métallique

En tant que base de la fabrication, de la construction, de l’ingénierie et de la technologie, les matériaux influencent directement la fonctionnalité, la durabilité et la sécurité de tout, des bâtiments aux appareils électroniques, aux transports et aux soins de santé. 

Cela rend important la création de nouveaux matériaux ou l’amélioration de ceux existants afin de répondre à des besoins spécifiques, résoudre des problèmes et stimuler le progrès dans divers secteurs.

Une approche innovante et cruciale pour y parvenir consiste à concevoir des matériaux architecturés, un processus qui améliore les propriétés des matériaux par rapport à leurs homologues simples en concevant leur structure interne à plusieurs échelles.

Cette classe émergente de matériaux utilise la géométrie structurelle 3D pour accéder à des fonctionnalités et des propriétés autrement inaccessibles par la seule optimisation de la composition et/ou de la microstructure.

À mesure que notre compréhension des relations architecture‑propriété et des outils de fabrication progresse, le développement de ces matériaux nano‑ et micro‑architecturés en 3D s’est accru, offrant de nouvelles ou meilleures propriétés, allant de comportements mécaniques extrêmes à des propriétés optiques exotiques qui ne peuvent tout simplement pas être réalisées avec des matériaux traités de manière traditionnelle. Ce faisant, les matériaux architecturés aident à répondre à la demande croissante de dispositifs haute performance et permettent des technologies complexes.

Ces matériaux sont actuellement fabriqués à l’aide des technologies de fabrication additive (FA) en raison de leur capacité à produire des structures 3D complexes à une large gamme d’échelles. Parmi les différents procédés de FA, la photopolymérisation en cuve (VP) est largement utilisée car elle permet de petites tailles et des vitesses rapides.

Dans cette méthode d’impression 3D, une résine photosensible est déposée dans une cuve, puis, à l’aide d’un laser ou d’une lumière UV, elle est durcie sélectivement selon la forme requise.

Ce processus, cependant, n’est utilisable qu’avec des polymères photosensibles et rencontre des difficultés pour fabriquer des matériaux non polymériques avec lui. Les polymères ayant des propriétés structurelles et fonctionnelles limitées, cela restreint les cas d’utilisation des dispositifs fabriqués avec la VP.

En conséquence, des scientifiques ont développé des méthodes pour permettre la VP de matériaux non photopolymérisables tels que les métaux et les céramiques. Cela inclut l’utilisation de résine hybride (combinant des composants inorganiques et organiques) ou de bouillie photosensible, mais ces approches rencontrent des problèmes de diffusion de la lumière, de viscosité et de compositions matérielles limitées.

Par conséquent, l’utilisation de solutions de sels métalliques a émergé comme une approche prometteuse, polyvalente et disponible commercialement. Cependant, celle‑ci entraîne un retrait important, provoquant porosité, déformation et dommages structurels.

Pour relever ces défis, les chercheurs de l’EPFL ont développé une nouvelle méthode polyvalente permettant de fabriquer des métaux et céramiques architecturés denses avec de faibles rétrécissements linéaires de conversion.

Ce qu’ils ont fait, c’est qu’ils ont fait croître des métaux dans un hydrogel, ce qui donne des constructions remarquablement denses mais complexes pour les technologies avancées.

Les hydrogels sont des matériaux polymères constitués principalement d’eau. Lorsqu’ils sont hydratés, ils deviennent gélatineux. Biocompatibles, ils sont utilisés dans un large éventail d’applications médicales et autres. Cependant, ces matériaux subissent des contraintes mécaniques répétées et peuvent facilement se déformer. 

“Le problème des hydrogels existants est qu’ils peuvent être mécaniquement faibles et nécessitent donc d’être renforcés,” a déclaré le professeur associé Koichi Mayumi de l’Institute for Solid State Physics (ISSP) de l’Université de Tokyo, qui a créé¹ un hydrogel présentant une ténacité semblable à du caoutchouc et une récupérabilité tout en conservant sa flexibilité.

Une étude récente², quant à elle, a utilisé des hydrogels pour démontrer la capacité des matériaux non vivants à utiliser la « mémoire » afin de mettre à jour leur compréhension de l’environnement. Ils ont montré que « la mémoire émerge au sein des hydrogels » en faisant jouer à Pong des hydrogels non vivants (capables de répondre à une stimulation électrique) qui ont amélioré leur précision jusqu’à 10 % grâce à la pratique.

Aujourd’hui, les chercheurs de l’EPFL ont transformé ces hydrogels souples en métaux et céramiques exceptionnellement robustes grâce à une puissante nouvelle méthode d’impression 3D.

Une nouvelle façon d’imprimer en 3D des métaux robustes

Avec d’autres méthodes d’impression 3D créées pour convertir les polymères imprimés en matériaux plus résistants, « ces matériaux ont tendance à être poreux, ce qui réduit considérablement leur résistance, et les pièces subissent un retrait excessif, provoquant des déformations », les chercheurs ont mis au point une solution unique à ce problème.

Les chercheurs de l’EPFL ont mis au point une méthode d’impression 3D appelée fabrication additive par infusion d’hydrogel (HIAM).

Dans la dernière étude, publiée dans Advanced Materials³, les chercheurs ont noté que malgré ses avantages en termes de polyvalence et d’accessibilité, l’utilité de la nouvelle méthode est limitée par les rétrécissements de 50 % à 90 % qui surviennent lors du processus de conversion polymère‑céramique, ce qui engendre une forte porosité, des fissures et des déformations dans les pièces finales, les rendant souvent trop fragiles pour une utilisation pratique. Ainsi, ils utilisent également une stratégie d’infusion‑précipitation après la fabrication.

Au lieu d’utiliser la lumière pour solidifier une résine pré‑infusée avec des précurseurs métalliques, l’équipe de l’EPFL a d’abord construit une structure 3D à partir d’hydrogel.

Ensuite, l’hydrogel « vierge » est infusé avec différentes solutions de sels métalliques avant d’être traité thermiquement pour le convertir en nanoparticules contenant des métaux qui imprègnent la structure. En répétant le processus, on peut créer des composites avec des concentrations métalliques très élevées.

Après cinq à dix cycles de « croissance », l’étape finale consiste à chauffer pour brûler l’hydrogel restant. Cela laisse derrière le produit fini, c’est‑à‑droit un objet en céramique ou en métal ayant la forme du polymère vierge d’origine, très solide et dense.

Infuser des sels métalliques dans les hydrogels uniquement après la fabrication signifie qu’un seul hydrogel peut être modifié en de nombreux composites, métaux ou céramiques différents. 

Non seulement une seule composition de résine peut être utilisée pour fabriquer une quasi‑infinité de matériaux non polymériques, mais cette étude met également en lumière un nouveau paradigme de la FA où le choix du matériau ne se fait pas avant, mais après l’impression 3D.

Ainsi, la nouvelle technique « permet la fabrication de métaux et de céramiques de haute qualité avec un processus d’impression 3D accessible et à faible coût », a déclaré Daryl Yee, responsable du Laboratoire de Chimie des Matériaux et de la Fabrication (ALCHEMY) à l’École d’Ingénierie de l’EPFL. 

L’objectif d’ALCHEMY est d’intégrer la science des matériaux, la conception moléculaire et la fabrication avancée afin de créer des matériaux fonctionnels avancés capables de relever les défis sociétaux dans les domaines de la santé, de l’énergie et du changement climatique.

En utilisant leur méthode, l’équipe de l’EPFL a réussi à fabriquer une variété de structures 3D complexes en métal et en céramique. Ils ont créé des formes de treillis mathématiques complexes appelées gyroids à partir de cuivre, d’argent et de fer.

La fabrication de Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu et Ag a atteint des densités proches de 88–89 % du théorique et des rétrécissements de 20–40 % (selon la composition), démontrant la capacité de la technique à créer des structures solides et complexes. Une machine d’essai universelle a également été utilisée pour tester la résistance des matériaux en appliquant une pression croissante sur les gyroids.

“Nos matériaux ont pu supporter 20 fois plus de pression comparés à ceux produits avec les méthodes précédentes, tout en ne présentant que 20 % de retrait contre 60‑90 %.”

– Étudiante en doctorat et première auteure Yiming Ji

Selon les scientifiques, la technique récemment développée basée sur l’infusion‑précipitation promet de fabriquer des matériaux architecturés avancés et des structures 3D qui doivent être simultanément complexes, légères et robustes, comme les dispositifs biomédicaux, les capteurs ou les appareils de conversion et de stockage d’énergie.

Dans les prochaines étapes, l’équipe se concentrera sur l’amélioration de leur procédé, notamment en augmentant davantage la densité de leurs matériaux, en vue de leur commercialisation.

La vitesse est un autre objectif. Bien que les infusions répétées soient importantes pour produire des matériaux plus résistants, ces étapes rendent la méthode chronophage. « Nous travaillons déjà à réduire le temps de traitement total en utilisant un robot pour automatiser ces étapes », a déclaré Yee.
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Où va la fabrication additive ensuite ?

La fabrication additive est l’une des technologies les plus disruptives de notre époque, construisant des objets 3D couche par couche à l’aide d’une conception numérique et d’une large gamme de matériaux, tels que le métal, le plastique et le béton.

Cette technologie est pratique, polyvalente et capable de fabriquer rapidement des structures géométriques complexes. Elle réduit également les déchets matériels, permet une forte personnalisation et améliore les performances des dispositifs flexibles.

La taille du marché mondial de la FA est estimée à environ 25 milliards de dollars en 2025 et devrait dépasser 125 milliards de dollars d’ici 2032. Par ailleurs, le nombre total d’imprimantes 3D expédiées dans le monde était de 2,2 millions en 2021 et devrait atteindre 21,5 millions d’unités d’ici la fin de cette décennie.

Ces chiffres reflètent une adoption croissante de la technologie, qui ne se limite plus aux laboratoires. Elle est de plus en plus utilisée pour construire des maisons, des chaussures, des casques de réalité virtuelle, des matériaux biodégradables auto‑réparateurs, et bien plus encore.

Plus récemment, des chercheurs d’Empa ont annoncé le développement d’un implant cornéen biocompatible imprimé en 3D capable de réparer les dommages oculaires de façon permanente. 

Des millions de personnes dans le monde étant touchées par des lésions cornéennes, seul un petit pourcentage peut être traité par une greffe cornéenne. Le développement d’implants auto‑adhésifs personnalisés rendu possible par la bioprinting par extrusion 3D peut changer radicalement la donne.

L’implant est composé d’un hydrogel biocompatible, qui sera ensuite chargé de cellules souches humaines provenant de l’œil afin de soutenir la régénération tissulaire.

Alors que les applications de la FA continuent de croître, les scientifiques résolvent également certains des défis techniques les plus persistants de l’impression 3D. Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ont créé une technique d’extrusion assistée par vide capable de réduire la porosité interne des composants polymères de 75 %, répondant ainsi au problème qui freine la fabrication additive à grande échelle (LFAM).

La porosité interne affaiblit les pièces imprimées, et la réduire est essentiel pour améliorer les performances globales.

Ce que les chercheurs ont fait, c’est qu’au cours du processus d’extrusion, ils ont intégré un réservoir sous vide, qui éliminait les gaz piégés et minimisait la formation de vides dans les matériaux renforcés de fibres, couramment présents dans la LFAM pour leur rigidité ainsi que leur faible expansion thermique, mais qui présentent une porosité intra‑perles affectant leur qualité.

“En utilisant cette technique innovante, nous ne résolvons pas seulement le problème critique de la porosité dans les impressions polymères à grande échelle, mais nous ouvrons également la voie à des composites plus robustes. C’est un bond significatif pour l’industrie LFAM.”

– Vipin Kumar de l’ORNL

Parallèlement, des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder ont créé un logiciel, OpenVCAD, pour aider à réaliser des conceptions plus complexes. Le logiciel open‑source peut appliquer des propriétés spécifiques à certaines parties des structures en treillis, généralement utilisées pour leurs capacités d’absorption d’impact.

Le premier outil de conception multi‑matériaux basé sur du code « permet aux utilisateurs de modifier une petite variable et de voir l’ensemble du design se mettre à jour de manière simple », a déclaré le chef de projet Robert MacCurdy. Il convertit des conceptions à gradients complexes en code prêt à être imprimé pour les applications d’ingénierie modernes.

Au-delà de l’amélioration de la qualité des matériaux, les innovateurs travaillent également à mettre le pouvoir de la fabrication dans la paume de la main. Un article des chercheurs de l’UT Austin et du MIT a exploré l’utilisation de la photonique siliconée dans une imprimante 3D basée sur une puce, où un dispositif photonique de l’ordre du millimètre assure la majeure partie des fonctions mécaniques de l’imprimante tout en remplaçant la source lumineuse. L’imprimante résultante est beaucoup plus simple et économique.

Les imprimantes 3D actuelles dépendent de systèmes mécaniques grands et complexes, limitant la vitesse, la portabilité, la résolution, le facteur de forme et la complexité des matériaux. Bien que les chercheurs se penchent sur des imprimantes 3D basées sur la photopolymérisation, elles restent dépendantes de systèmes mécaniques encombrants et complexes.

Ainsi, la dernière étude a combiné la photonique siliconée et la photochimie pour la première imprimante 3D basée sur une puce. Ils ont utilisé une puce CMOS photonique siliconée dans une petite chambre, qui émet et dirige la lumière, accompagnée d’un guide d’ondes à cristaux liquides pour fonctionner avec la résine. 

Le système est un « système de réseau de phase optique intégré à lumière visible » qui agit comme un système de photopolymérisation en cuve sur une puce, l’idée ultime étant de faire tenir l’ensemble du système dans la paume d’une main.

Investir dans l’impression 3D

Célèbre pour l’impression traditionnelle, HP (HPQ ) a fait une entrée agressive sur le marché de l’impression 3D et dispose d’une échelle, d’un capital et d’une infrastructure lui permettant d’adopter des procédés de pointe tels que l’infusion d’hydrogel.

L’entreprise s’est aventurée pour la première fois dans la fabrication additive il y a un peu plus d’une décennie, et depuis, elle a lancé plusieurs systèmes d’impression 3D polymères et introduit la technologie Metal Jet. Bien qu’elle ne soit pas le plus ancien acteur de l’industrie de l’impression 3D, HP travaille à devenir le leader du marché grâce à l’innovation technologique, aux matériaux et aux partenariats.

HP Inc. (HPQ )

Plus tôt cette année, la technologie d’impression 3D Multi Jet Fusion de HP a été utilisée par Blazin Rodz pour fabriquer plus de 75 pièces pour une voiture construite sur mesure. 

“Il n’aurait jamais été possible de concevoir et d’ingénier des véhicules aussi extrêmes, précis et conduisibles que nous le faisons chez Blazin Rodz – en moins d’un an – sans conception CAO et impression 3D. L’impression Multi‑Jet Fusion (MJF) de HP est un changeur de jeu pour l’ensemble de l’industrie, et nous nous engageons à trouver des applications intelligentes et innovantes à chaque pièce signature que nous développons et à chaque voiture personnalisée que nous construisons à l’avenir.””

– Waylon Jeffrey, Responsable Design 3D & Ingénierie chez Blazin Rodz

Il y a quelques mois, l’entreprise de fabrication de drones mobiles, Firestorm Labs, a obtenu les droits de distribution exclusifs de HP pour sa technologie d’impression 3D mobile Multi Jet Fusion afin de permettre la production sur site dans les contextes médicaux, humanitaires et commerciaux.

HP est le fournisseur mondial d’informatique personnelle et d’autres appareils d’accès numérique, et il opère à travers trois segments clés.

The Personal Systems segment offers commercial and consumer desktops, notebooks, workstations, POS systems, displays, hybrid systems, and software; the Printing segment offers consumer and commercial printer hardware, along with graphics and 3D printing and personalization in the commercial and industrial markets; and the Corporate Investments segment includes certain business incubation and investment projects.

Avec une capitalisation boursière de 25,5 milliards de dollars, les actions HPQ se négocient actuellement à 27,22 $, en baisse de 16,18 % cette année. Leur fourchette sur 52 semaines a été de 21,21 $ à 39,80 $, tandis que le plus haut jamais atteint par ces actions était à la mi‑2022, lorsque HPQ a atteint un pic d’environ 41,50 $.

L’entreprise affiche un BPA (TTM) de 2,75 et un PER (TTM) de 9,96. Le rendement du dividende offert par HP à ses actionnaires est attractif, à 4,23 %.

En ce qui concerne la situation financière de HP, elle a déclaré un chiffre d’affaires net de 13,9 milliards de dollars, en hausse de 3,1 % par rapport à la même période de l’année précédente, pour le troisième trimestre de l’exercice 2025. 

Cela comprend 4 milliards de dollars de revenus provenant du segment Printing, en baisse de 4 % d’une année sur l’autre (YoY) avec une marge opérationnelle de 17,3 %. Le revenu net du segment Consumer Printing a diminué de 8 %, celui du Commercial Printing de 3 % et celui des Supplies de 4 %. Le nombre total d’unités matérielles a, quant à lui, chuté de 9 %, les unités du Commercial Printing étant en baisse de 12 % et celles du Consumer Printing de 8 %.

Le bénéfice net dilué GAAP par action de HP a augmenté de 23,1 % pour atteindre 0,80 $, tandis que le BPA net dilué non‑GAAP a baissé de 10,7 % pour atteindre 0,75 $.

“Au troisième trimestre, nous avons enregistré un cinquième trimestre consécutif de croissance du chiffre d’affaires, soutenu par la solidité du segment Personal Systems et un fort élan dans nos domaines de croissance clés. Ces résultats démontrent notre agilité et notre exécution ciblée au cours du trimestre, renforcent la solidité de notre stratégie et notre engagement à être un leader du futur du travail.”

– CEO Enrique Lores

Au cours de ce trimestre, l’entreprise a déclaré 1,7 milliard de dollars de trésorerie nette provenant des activités opérationnelles, tandis que le flux de trésorerie disponible était de 1,5 milliard de dollars. Elle a également reversé 400 millions de dollars aux actionnaires sous forme de dividendes de 0,2894 $ par action et de rachats d’actions de 150 millions de dollars. HP a terminé le trimestre avec 2,9 milliards de dollars de liquidités et d’équivalents de trésorerie.

Cliquez ici pour une liste des meilleures actions de fabrication additive et d’impression 3D.

Dernières nouvelles et développements des actions HP Inc. (HPQ)

Un nouveau chapitre pour la science des matériaux

Avec l’impression 3D, la fabrication est entrée dans une nouvelle ère, permettant le prototypage rapide, un développement plus rapide, une flexibilité de conception, des économies de coûts et des améliorations de la chaîne d’approvisionnement.

En tirant parti de cette technologie et en la combinant avec l’infusion d’hydrogel et une stratégie d’infusion‑précipitation, les chercheurs de l’EPFL ont produit des métaux plus résistants, redéfinissant le moment et la manière dont l’identité d’un matériau est déterminée dans la chaîne de production. De plus, la flexibilité qu’elle offre peut être potentiellement transformative pour des industries allant de l’énergie à l’ingénierie biomédicale.

À mesure que ces méthodes mûrissent, se développent et se commercialisent, elles peuvent inaugurer un nouveau paysage industriel où la résistance n’est pas fabriquée mais cultivée.

Références :

1. Liu, C., Morimoto, N., Jiang, L., Kawahara, S., Noritomi, T., Yokoyama, H., Mayumi, K., & Ito, K. (2021). Tough hydrogels with rapid self-reinforcement. Science, 372(6546), 1078–1081. https://doi.org/10.1126/science.aaz6694
2. Strong, V., Hayashi, Y., Ward, J., et al. (2024, August 23). Electro-active polymer hydrogels exhibit emergent memory when embedded in a feedback-driven environment. Cell Reports Physical Science, 5, Article 00436. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.00436
3. Ji, Y., Hong, Y., Bhandari, D. R., & Yee, D. W. (2025, September 24). Hydrogel-based vat photopolymerization of ceramics and metals with low shrinkages via repeated infusion precipitation. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202504951
4. Li, Y., Ma, G., Guo, F., Luo, C., Wu, H., Luo, X., Zhang, M., Wang, C., Jin, Q., & Long, Y. (2024, June 25). 3D-printed self-healing, biodegradable materials and their applications. Frontiers of Mechanical Engineering, 19, Article 17. https://doi.org/10.1007/s11465-024-0787-1
5. Mattingly, F., Kumar, V., Chawla, K., Bras, W., Kunc, V., & Duty, C. (2025, January). Vacuum-assisted extrusion to reduce internal porosity in large-format additive manufacturing. Additive Manufacturing, 97, 104612. https://doi.org/10.1016/S2214-8604(24)00658-4
6. Corsetti, S., Notaros, M., Sneh, T., Stafford, A., Page, Z. A., & Notaros, J. (2024, June 6). Silicon-photonics-enabled chip-based 3D printer. Light: Science & Applications, 13, Article 132. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01478-2