Fabrication additive
L’impression 3D à l’échelle nanométrique semble prête pour la commercialisation
L’impression 3D est très à la mode en ce moment. Aussi connue sous le nom de procédé de fabrication additive, dans l’impression tridimensionnelle ou impression 3D, un objet est créé à l’aide d’un modèle numérique au lieu d’utiliser un moule. Dans ce processus, plusieurs fines couches de matériau sont ajoutées les unes aux autres.
Les inventeurs ont développé la technique en 1984, mais ce n’est que récemment qu’elle a commencé à décoller, les avancées technologiques ayant rendu ce procédé de fabrication viable.
Les fabricants de nombreux secteurs utilisent cette technique pour prototyper rapidement avant de produire en masse des produits. En rendant le prototypage plus rapide, plus simple et moins coûteux, l’impression 3D favorise davantage d’innovation et d’expérimentation.
Aujourd’hui, le secteur de l’impression 3D a connu une croissance massive, les progrès constants et la recherche aidant la technologie à s’améliorer davantage. L’intérêt pour l’impression 3D est tel que les scientifiques travaillent désormais sur des techniques de fabrication à la fois à l’échelle micro et nanométrique.
Bien que l’impression 3D soit trop lente pour être utilisée en production de masse, l’impression 3D à l’échelle nanométrique pourrait résoudre ce problème, et il est probable qu’elle soit bientôt prête à être mise en œuvre.
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Impression 3D à l’échelle nanométrique & son potentiel
Depuis l’introduction de la technologie d’impression 3D, la productivité manufacturière a augmenté. Cette hausse est en grande partie due au fait que l’impression 3D offre une liberté de conception importante en éliminant les limitations structurelles ou spatiales des méthodes de fabrication traditionnelles. De plus, elle est reconnue pour son efficacité matérielle, offrant le potentiel d’une fabrication à faible ou aucune perte. L’impression 3D joue également un rôle crucial dans la réduction des coûts et du délai de mise sur le marché pour les petits fabricants.
Cependant, la plupart des applications de l’impression 3D sont limitées à une taille à l’échelle du centimètre. Au-delà de cela, les défis mécaniques et matériels limitent son utilisation principalement aux applications de recherche. Ainsi, pour étendre l’impression 3D à une échelle de fabrication de masse et évoluer au-delà du simple prototypage, la technologie doit relever certains défis liés à la taille, aux matériaux et aux coûts.
Pour cette raison, de nombreux chercheurs utilisent plusieurs matériaux à différentes échelles de taille, un développement qui met l’impression 3D à l’échelle nanométrique sous les projecteurs. La nanotechnologie implique des mesures inférieures à 100 nanomètres, une échelle si minuscule qu’elle est invisible à l’œil nu.
Dans le domaine de l’impression 3D à l’échelle nanométrique, l’objectif est d’imprimer en 3D des objets mesurés en nanomètres. Cette technologie représente un bond prometteur dans la fabrication additive, permettant l’assemblage d’objets atome par atome.
Le potentiel de la technologie à l’échelle nanométrique s’étend à l’amélioration de l’efficacité et de la productivité dans divers secteurs, tels que les batteries, la nanorobotique, la microélectronique, les dispositifs médicaux, les semi-conducteurs et les technologies de capteurs. Ces secteurs peuvent bénéficier de manière significative de la précision de la création nanométrique sans compromettre la justesse.
Cependant, le processus d’impression 3D, y compris à l’échelle nanométrique, reste lent. Il fait également face à des limitations quant aux types de matériaux pouvant être utilisés, surtout dans l’impression à l’échelle nanométrique.
En 2022, des chercheurs ont développé une nouvelle méthode d’impression 3D à l’échelle nanométrique utilisant un matériau qui excelle en résistance aux forces, offre une protection et peut absorber deux fois l’énergie que d’autres matériaux pourraient à la même densité. Cette avancée ouvre de nombreuses applications dans des domaines tels que les drones, les satellites et la microélectronique.
Un autre défi majeur dans l’adoption de la technologie impression 3D est le coût. Les matériaux utilisés sont coûteux, et les machines d’impression 3D elles‑mêmes, qui dépendent de la capacité à produire des produits avec des spécifications précises, sont onéreuses.
De plus, les dépenses liées aux logiciels, à la maintenance technologique et à l’intégration des systèmes augmentent davantage le coût global de cette technique. En raison de ce coût élevé, l’impression 3D reste plus viable pour la production à petite échelle et hautement spécialisée.
La recherche dans ce domaine progresse depuis un certain temps afin de cibler différents problèmes. Par exemple, il y a quelques années, une équipe de chercheurs a démontré une technique d’impression 3D qui produit rapidement des objets 3D complexes à l’échelle nanométrique avec des caractéristiques lisses.
Cependant, le fait demeure que malgré son potentiel à faire progresser de nombreux dispositifs, l’impression 3D à l’échelle nanométrique est extrêmement coûteuse. Cela pourrait enfin changer maintenant, car de nouvelles recherches ont trouvé une approche qui réduit drastiquement les coûts et les barrières à l’entrée, rendant le processus viable pour la commercialisation.
Méthode plus rapide et moins chère pour imprimer de petites structures métalliques avec la lumière
Les recherches les plus récentes ont développé une nouvelle méthode d’impression de structures métalliques de taille nanométrique basées sur une lumière de faible intensité. Cette nouvelle approche basée sur la lumière est extrêmement rapide, jusqu’à 480 fois plus que les méthodes actuellement utilisées, tout en étant peu coûteuse.
Cette nouvelle étude intitulée « Impression évolutive de nanostructures métalliques par projection de lumière superluminescente (SLP) » a été réalisée récemment par les co‑auteurs Sourabh K. Saha, professeur assistant au programme de génie mécanique de Georgia Tech, et Jungho Choi, doctorant dans le laboratoire de Saha.
Selon Saha, le coût et la vitesse sont deux facteurs qui sont « grandement sous‑estimés dans la communauté scientifique » lorsqu’on travaille sur la fabrication et la production de petites structures. Bien que négligés dans le monde scientifique, ces indicateurs sont réellement importants dans le monde réel « lorsqu’il s’agit de traduire les découvertes du laboratoire à l’industrie ».
« Ce n’est que lorsque nous disposerons de techniques de fabrication qui prennent en compte ces indicateurs que nous pourrons exploiter pleinement la nanotechnologie au profit de la société. »
– a déclaré Saha
Choi et Saha sont également inventeurs d’une demande de brevet SLP dont les droits de propriété intellectuelle sont attribués à Georgia Tech Research Corporation.
Publié dans Advanced Materials, une revue scientifique hebdomadaire à comité de lecture, la nouvelle étude a révélé que ces chercheurs ont développé une méthode basée sur la lumière pour imprimer des structures métalliques à l’échelle nanométrique, qui est plus rapide, moins chère et évolutive.
En tant que telle, cette technologie a le potentiel de transformer le domaine de la fabrication additive, qui est prohibitif en termes de coût et de lenteur. Cette percée est 35 fois moins chère que les technologies actuellement disponibles sur le marché.
Il existe en réalité de nombreuses avancées technologiques dans plusieurs domaines qui reposent sur la capacité d’imprimer sur des structures métalliques de taille nanométrique, une technique connue sous le nom de nanopatterning. Ces domaines comprennent les capteurs, les dispositifs électroniques, la photonique, la conversion d’énergie solaire, la biomédecine et le diagnostic, ainsi que d’autres systèmes.
En ce qui concerne l’impression à l’échelle nanométrique, on estime que la procédure nécessite une source de lumière à haute intensité. Un tel outil est le laser femtoseconde, qui fournit des impulsions laser ultracourtes à un point focal.
Bien qu’il soit très utile, cet outil peut être très coûteux. Avec un prix pouvant atteindre un demi‑million de dollars, cet outil n’est pas réellement viable pour la plupart des laboratoires de recherche et, bien sûr, pour les petites entreprises.
Comme le souligne Saha, c’est ce coût qui rend difficile que ces percées voient un jour le jour dans le monde réel, et elles finissent par rester de simples projets de laboratoire. Il a déclaré :
« En tant que communauté scientifique, nous n’avons pas la capacité de produire suffisamment de ces nanomatériaux rapidement et à moindre coût, et c’est pourquoi les technologies prometteuses restent souvent limitées au laboratoire et ne sont pas traduites en applications réelles. »
Donc, la question évidente suivante est de savoir s’il existe réellement un besoin d’un tel outil à haute intensité ? La réponse était négative, comme l’a déclaré Saha :
« Notre hypothèse était que nous n’avons pas besoin de cette source de lumière pour obtenir le type d’impression que nous souhaitons. »
En conséquence, les chercheurs ont commencé à chercher une lumière à faible coût qui a une faible intensité mais peut être focalisée de manière similaire aux lasers femtosecondes. Ils sont tombés sur des diodes électroluminescentes superluminescentes (SLED), choisies pour leur disponibilité commerciale.
Une SLED est une source de lumière semi‑conductrice à émission de bord basée sur la superluminescence qui combine la brillance et la haute puissance des diodes laser avec la faible cohérence des diodes électroluminescentes conventionnelles. La lumière émise par les SLED est nettement moins intense que celle des lasers femtosecondes.
Impression de taille nanométrique de style projection basée sur la lumière à faible intensité
Avec cette recherche, Choi et Saha ont cherché à développer la première technologie d’impression de type projection. Ce système est conçu pour fonctionner comme un projecteur numérique, transformant les images du numérique à l’optique puis les affichant sur une surface en verre.
Cependant, les images produites par cette technologie d’impression sont plus nettement focalisées. Cette netteté résulte de l’exploitation des propriétés uniques de la lumière superluminescente pour générer des images avec des défauts minimaux.
Cette technique SLP ou projection de lumière superluminescente imprime rapidement des nanostructures sous-diffraction (dimension inférieure à la limite de diffraction de la lumière utilisée) avec une lumière de faible intensité. Les chercheurs ont exploité les propriétés de cohérence spatiale et temporelle de la lumière superluminescente à base de diode.
Dans le cadre de leurs recherches, ils ont utilisé du sel métallique avec d’autres produits chimiques pour développer une solution d’encre claire capable d’absorber la lumière. Lorsque la lumière de leur système de projection frappe la solution, elle déclenche une réaction chimique, transformant la solution en métal. Ces nanoparticules métalliques adhèrent à la surface du verre, créant ainsi les nanostructures.
Être une technologie d’impression de type projection signifie qu’elle peut être utilisée pour imprimer des structures entières en une seule fois. Le fait que, au lieu d’imprimer point par point, cette technique le fasse en une seule passe la rend plus rapide que d’autres méthodes conventionnelles.
Les tests de l’impression métallique de taille nanométrique de type projection basée sur la lumière ont révélé qu’elle fonctionne même avec une lumière de faible intensité, à condition que les images soient nettement focalisées.
Selon Choi et Saha, leur travail peut être reproduit rapidement par d’autres chercheurs en utilisant du matériel disponible dans le commerce. Cela ne coûtera pas grand-chose non plus, le type de SLED utilisé dans leurs recherches coûte environ 3 000 $.
De cette manière, la recherche rend possible pour les petites entreprises, les centres de recherche et même les particuliers de profiter de la technologie et d’expérimenter pour innover. Selon Choi :
« Actuellement, seules les meilleures universités ont accès à ces technologies coûteuses, et même dans ce cas, elles se trouvent dans des installations partagées et ne sont pas toujours disponibles. »
En outre, Choi a déclaré :
« Nous voulons démocratiser la capacité d’impression 3D à l’échelle nanométrique, et nous espérons que nos recherches ouvrent la porte à un meilleur accès à ce type de processus à faible coût. »
Cette percée a un réel potentiel pour aider les nouvelles technologies à sortir enfin des laboratoires de recherche et à être utilisées dans le monde.
La recherche possède certainement un large potentiel d’application, les chercheurs affirmant que leur technique sera particulièrement utile dans les domaines de l’optique et de la plasmonique, qui nécessitent une variété de nanostructures métalliques complexes.
D’autres domaines potentiels où elle pourra être utilisée à l’avenir comprennent des composants électroniques plus petits et plus efficaces pour les smartphones, les ordinateurs et les appareils portables. De plus, elle peut aider à développer des capteurs avancés, des actionneurs, des systèmes de communication miniatures, des dispositifs biomédicaux tels que les implants et les dispositifs de diagnostic, des optiques à petite échelle pour les caméras et les systèmes d’imagerie, de minuscules dispositifs de récupération d’énergie, ainsi que le développement de nouveaux matériaux aux propriétés personnalisées.
L’impression 3D à l’échelle nanométrique aidera davantage la recherche et la mise au point de solutions encore plus viables.
Entreprises leaders de la fabrication additive
Voyons maintenant quelques entreprises qui sont à la pointe de la fabrication additive :
#1. Stratasys
Le fournisseur américain de solutions d’impression 3D est un leader international dans l’industrie de la fabrication additive. Stratasys propose une gamme d’imprimantes 3D et de matériaux aux secteurs automobile, de la santé, de l’éducation, aérospatial et à de nombreuses autres industries. L’entreprise possède également de nombreux brevets de technologie additive utilisés pour créer des modèles, des prototypes, des outils de fabrication et des pièces de production.
La dernière imprimante 3D de l’entreprise, la F3300, présente des améliorations significatives en termes de vitesse et de coût. Elle offre des vitesses de portique accrues, des taux d’extrusion plus rapides et un calibrage automatisé pour gagner du temps et augmenter le débit. La machine est destinée à la production de pièces en usage final et peut également être utilisée pour le prototypage.
(SSYS )
Avec une capitalisation boursière de 902,6 millions de dollars, les actions de Stratasys se négocient actuellement à 13,05 $, en baisse de 8,61 % depuis le début de l’année (YTD). L’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires sur les douze derniers mois (TTM) de 630,52 M$ avec un BPA (TTM) de -1,61 et un PER (TTM) de -8,10.
#2. 3D Systems
Nom bien connu dans l’industrie de la fabrication additive, 3D Systems propose une large variété de solutions d’impression 3D, allant du matériel et des logiciels aux matériaux, pour des secteurs tels que la santé, l’aérospatiale, la défense, l’automobile, les biens de consommation et la fabrication générale.
Les technologies de 3D Systems comprennent le Direct Metal Printing, le Selective Laser Sintering, le MultiJet Printing, le ColorJet Printing, la Stéréolithographie (SLA) et le bioprinting basé sur la SLA.
Fin de l’année dernière, l’entreprise a annoncé un implant crânien 3D imprimé sur mesure utilisé avec succès dans une cranioplastie à l’Hôpital universitaire de Bâle. L’utilisation d’implants crâniens imprimés en 3D devrait atteindre une taille de marché de 2,1 milliards de dollars d’ici la fin de cette décennie.
(DDD )
Avec une capitalisation boursière de 677,845 millions de dollars, l’action de 3D Systems Corp se négocie actuellement à 5,08 $, en baisse de 20 % YTD. L’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires (TTM) de 505,95 M$ avec un BPA (TTM) de -0,74 et un PER (TTM) de -6,85.
#3. GE Additive
Division du géant technologique General Electric, GE Additive propose une gamme complète d’imprimantes, de matériaux consommables et de solutions logicielles permettant aux entreprises de différents segments de marché d’innover.
Le mois dernier, l’entreprise a présenté sa technologie de jet de liant métallique lors du plus grand salon européen de la fabrication additive (AM). Pour cela, GE Additive collabore avec un nouveau secteur, le médical, afin d’élargir ses horizons au-delà de l’aérospatiale. Avec les jets de liant, l’entreprise vise à offrir « une méthode de fabrication secondaire en cas de problème de chaîne d’approvisionnement ».
(GE )
Avec une capitalisation boursière de 141,4 milliards de dollars, les actions de General Electric Co se négocient actuellement à 129,93 $, en hausse de 1,8 % YTD. L’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires (TTM) de 67,95 milliards de dollars avec un BPA (TTM) de 8 et un PER (TTM) de 16,24. GE verse également un rendement du dividende de 0,25 %.
Réflexions finales
Bien que toujours au stade précoce de la recherche, l’impression 2D à l’échelle nanométrique et le paysage de la fabrication additive progressent à un rythme rapide. Déjà, comme nous l’avons vu, des techniques d’impression plus rapides et moins chères sont développées, rendant l’impression métallique à l’échelle nanométrique évolutive et commercialement viable.
À mesure que de nouvelles recherches continuent de s’attaquer aux problèmes de coût et de limitations matérielles, de nouvelles solutions émergeront, supprimant les barrières à l’entrée et produisant des conceptions de produits personnalisées et durables. Cela conduira à une utilisation généralisée des techniques dans la médecine, la mode, les produits de consommation, l’électronique avancée et bien plus encore, augmentant enfin la possibilité que les dispositifs à base de nanotechnologie soient largement utilisés dans le monde réel et rendant l’impression 3D commercialisable.
