Pas d’accès à un équipement scientifique spécifique ? Pas de panique – Imprimez-le avec la fabrication additive

Le besoin d’équipements scientifiques augmente partout dans le monde. Selon une estimation, la taille du marché des instruments scientifiques devrait passer d’un peu plus de 28 milliards de dollars US en 2022 à plus de 34 milliards de dollars US en 2028, avec un TCAC de 3,2 %.

Les équipements scientifiques de différents types accélèrent le développement scientifique en réduisant le risque d’erreur humaine et en automatisant les processus itératifs. Ils libèrent du temps pour que les scientifiques puissent imaginer des concepts et des solutions.

Selon Mikael Hagstroem, directeur général de Technology Networks, jusqu’à 70 % du temps d’un technicien de laboratoire peut être perdu à effectuer des tâches administratives, de préparation, de recherche et de nettoyage de données, ou de rédaction de rapports.

Comme les instruments scientifiques font gagner beaucoup de temps et simplifient efficacement un processus, il peut être frustrant de ne pas avoir accès à un équipement scientifique spécifique au bon moment. Mais il y a aujourd’hui peu de raisons de se plaindre de cette disponibilité.

La fabrication additive, communément appelée impression 3D, est venue à la rescousse. Comment la fabrication additive aide à accéder à des équipements scientifiques spécifiques est ce que nous examinerons en profondeur dans les prochains segments. Mais, avant d’approfondir, faisons un rapide aperçu de ce qu’est la fabrication additive ou l’impression 3D !

Qu’est-ce que la fabrication additive ?

Un article explicatif pertinent sur la fabrication additive, publié par le MIT Sloan School of Management, la définit comme « le processus de création d’un objet en le construisant couche par couche. C’est le contraire de la fabrication soustractive, où un objet est créé en enlevant de la matière d’un bloc solide jusqu’à obtenir le produit final. »

De manière générale, le processus de fabrication additive suit une séquence en trois étapes, qui est la suivante :

• Tout d’abord, un design est créé en laboratoire. Cela peut se faire en utilisant la Conception Assistée par Ordinateur (CAO) et des logiciels similaires. Ou on peut directement scanner un objet que l’on souhaite imprimer.
• La deuxième étape consiste pour le logiciel à convertir le design, étape par étape, en une structure en couches que la machine de fabrication additive ou d’impression 3D suivra.
• La dernière étape, qui explique également pourquoi le processus s’appelle impression 3D, consiste à envoyer la structure en couches à une imprimante 3D, qui commence alors immédiatement à créer l’objet.

La fabrication additive ou l’impression 3D est compatible avec une multitude de types de matériaux différents, y compris les polymères, les métaux, les céramiques, les mousses, les gels, les biomatériaux, et plus encore.

Selon Arvind Kalidindi, doctorant en science et génie des matériaux au MIT :

« Tant que vous trouvez un moyen d’assembler localement deux pièces, vous pouvez les imprimer en 3D. »

Cette polyvalence et cette compatibilité quasi universelle rendent l’impression 3D ou la fabrication additive adaptée à la fabrication d’équipements scientifiques spécifiques. Nous allons maintenant examiner quelques exemples ci-dessous :

Composants de spectromètre de masse portable imprimés en 3D et plus

Un spectromètre de masse est un dispositif capable d’identifier des substances chimiques. Les spectromètres de masse sont utilisés dans divers domaines, des scènes de crime aux relevés géologiques ; ils remplissent de nombreuses fonctions.

Un groupe de chercheurs du MIT a mis au point un filtre de masse imprimé en 3D qui sert de composant central d’un spectromètre de masse. Connu sous le nom de quadrupôle, ce filtre miniaturisé est nettement plus léger et moins cher que ses homologues traditionnels. Alors que les filtres de masse de qualité commerciale, fabriqués en verre-céramique résistant à la chaleur, coûtent plus de 100 000 $, ces filtres de masse issus de la fabrication additive ne coûtent que quelques dollars et peuvent être produits en quelques heures.

Selon Velasquez-Garcia, scientifique principal de recherche dans les Laboratoires de technologie des microsystèmes du MIT, « Il existe d’autres filtres quadrupôles miniaturisés, mais ils ne sont pas comparables aux filtres de masse de qualité professionnelle. Il y a beaucoup de possibilités pour ce matériel si la taille et le coût pouvaient être réduits sans affecter négativement les performances. »

Alors que l’exemple cité ci-dessus est l’une des dernières réalisations dans le domaine, des exemples similaires ont déjà été enregistrés dans la R&D scientifique et technologique. Par exemple, des chercheurs de l’Université McGill ont développé une technologie de diagnostic lab-on-a-chip qui remplace l’utilisation de nombreux instruments de laboratoire et fonctionne comme des technologies miniatures. La puce peut être produite en 30 minutes grâce à l’impression 3D. Les rapports suggèrent que la solution peut permettre aux professionnels de santé de créer « des solutions sur mesure pour des besoins spécifiques directement sur le lieu de soins. »

Une autre équipe de chercheurs du MIT a utilisé l’impression 3D multi-matériaux pour créer des dispositifs fluidiques auto‑chauffants qui sont équipés d’éléments chauffants intégrés. Ce sont des machines miniatures qui peuvent manipuler des fluides et faciliter des réactions chimiques. Au lieu de plusieurs machines haut de gamme fonctionnant simultanément, cette technologie est capable de détecter des maladies dans de minuscules échantillons de sang ou de fluides.

Accéder aux équipements scientifiques depuis un emplacement distant

L’impression 3D d’équipements scientifiques et de laboratoire a également aidé à éliminer les contraintes liées à la distance physique/géographique. Auparavant, les imprimantes 3D nécessitaient la présence d’un opérateur formé sur le site. Cependant, avec le début de la pandémie de COVID‑19, des solutions sont apparues qui ont rendu le travail à distance possible dans le domaine de la fabrication additive.

Par exemple, le MakerBot CloudPrint a proposé une solution permettant aux équipes d’ingénierie de travailler efficacement à distance ou depuis des lieux disparates. Sa plateforme d’impression 3D basée sur le cloud offre un flux de travail fluide aux équipes présentes dans plusieurs emplacements. Les ingénieurs travaillant à différents endroits peuvent collaborer efficacement avec ces imprimantes 3D en découpant et en préparant leurs impressions directement depuis un navigateur.

L’appareil est équipé de fonctions de mise en file d’attente et de surveillance intégrées et permet aux utilisateurs d’ajouter, de surveiller et de contrôler l’accès aux imprimantes MakerBot connectées depuis n’importe où. Il dispose également d’un tableau de bord pour le suivi et la surveillance centralisés de la progression des impressions. Les flux vidéo en direct permettent d’obtenir les dernières mises à jour de statut des travaux d’impression.

Des solutions comme celles-ci et d’autres ont rendu le flux de travail fluide, sans accroc et rentable pour de nombreux fabricants d’équipements scientifiques.

Types de fabricants d’équipements scientifiques qui bénéficient de la fabrication additive/impression 3D

Les fabricants d’équipements de recherche spatiale constituent un segment qui bénéficiera considérablement de la fabrication additive ou de l’impression 3D. La recherche scientifique a montré comment construire des équipements de laboratoire imprimés en 3D pour mesurer des matériaux en vrac dans les conditions extrêmes que les projets d’exploration spatiale imposent aux chercheurs.

En 2022, le Nature Journal a mentionné une étude où un dispositif imprimé en 3D a été développé pour mesurer la tension superficielle des nanofluides. Le résultat de la mesure était comparable à celui des dispositifs commerciaux.

L’étude a également examiné les possibilités d’utiliser des instruments de mesure via la méthode d’extrusion de matière d’impression 3D pour mesurer certaines propriétés mécaniques et physiques des matériaux en vrac dans des conditions extrêmes.

Un autre type de fabricant d’équipements scientifiques qui bénéficie de la fabrication additive ou de l’impression 3D appartient au domaine de l’électronique. La précision des processus de fabrication additive basée sur le laser aide à créer des systèmes microélectromécaniques. On peut développer des composants complexes tels que des accéléromètres et des gyroscopes grâce à ce procédé.

La fabrication d’instruments éducatifs est encore un autre domaine qui peut exploiter efficacement la fabrication additive. Il existe des imprimantes 3D qui permettent aux étudiants d’expérimenter avec du matériel de précision et des matériaux de qualité industrielle.

Certaines caractéristiques communes de ces installations incluent leur capacité à travailler avec une variété de matériaux de base sur une même plateforme. Elles sont sûres à utiliser et nécessitent peu ou pas d’équipement de protection individuelle. Les instruments de fabrication additive sont fournis avec un logiciel intégré pour un contrôle et une surveillance faciles et fluides.

De nombreuses entreprises rendent la fabrication additive ou l’impression 3D faciles pour divers secteurs. Nous allons maintenant examiner quelques-unes de ces entreprises.

#1. Markforged

Markforged propose une gamme complète de solutions de fabrication additive, incluant des machines d’impression 3D industrielles, des matériaux de performance tels que les métaux, les fibres continues et les composites, ainsi que des logiciels d’entreprise qui améliorent le flux de travail.

Markforged possède trois types d’imprimantes 3D, incluant des imprimantes 3D métal, des imprimantes 3D composites industrielles, et des imprimantes 3D composites de bureau. Les industries qui utilisent ces solutions comprennent l’aérospatiale, l’automobile, les biens de consommation emballés, l’éducation et la recherche, la fabrication d’électroniques, l’énergie, le secteur fédéral et de la défense, les équipements industriels, le médical, etc.

L’un des produits les plus populaires de Markforged est le FX10, l’imprimante 3D composite industrielle de nouvelle génération de la société. L’appareil est équipé d’un module de vision et d’un micromètre laser, d’une chambre à matériaux avancée pour un chargement rapide et une réduction de l’intervention de l’utilisateur, d’un écran tactile de 7 ”, et d’une chambre de construction chauffée pouvant atteindre 60 °C.

Markforged a annoncé ses résultats du quatrième trimestre et de l’exercice complet 2022 en mars 2023. L’entreprise a enregistré une hausse du chiffre d’affaires de 11 % à 29,7 millions de dollars au quatrième trimestre 2022 contre 26,6 millions de dollars au quatrième trimestre 2021. Le chiffre d’affaires annuel a augmenté de 11 % à 101,0 millions de dollars US en 2022 contre 91,2 millions de dollars en 2021. Cependant, le bénéfice brut a diminué de 4 % à 50,7 millions de dollars en 2022 contre 52,9 millions de dollars en 2021.

#2. Hewlett Packard

Une autre grande entreprise technologique fortement investie dans la mise à disposition de l’impression 3D pour tous est Hewlett‑Packard ou HP. Les solutions d’impression 3D de HP sont utilisées dans divers secteurs, notamment l’aérospatiale, les biens de consommation et l’électronique, l’éducation, la santé et le médical, l’industrie, les services de fabrication, les fibres moulées, l’orthopédie et les prothèses, le transport et l’automobile, et plus encore. L’un de ces domaines d’application qui nécessite un accès à des équipements scientifiques spécifiques est l’éducation. La technologie multi‑jet fusion de HP aide à fabriquer des pièces et des prototypes fonctionnels dans de multiples disciplines au sein d’une institution d’enseignement/recherche, de l’ingénierie à l’architecture.

Les solutions d’impression 3D Jet Fusion de HP aident tant la recherche de laboratoire 3D de base que avancée, y compris celles menées dans les laboratoires de développement, les laboratoires de fabrication additive, les bureaux de services universitaires, et les laboratoires 3D hospitaliers/médicaux.

HP a publié ses résultats annuels et du quatrième trimestre 2023 le 21 novembre 2023. HP Inc. (HPQ ) et ses filiales (« HP ») ont enregistré un chiffre d’affaires net de 53,7 milliards de dollars, en baisse de 15 % (de 12 % en monnaie constante) par rapport à la période de l’année précédente. Le chiffre d’affaires net du quatrième trimestre était de 13,8 milliards de dollars, en baisse de 6 % (de 5 % en monnaie constante) par rapport à l’année précédente.

#3. Formlabs

Formlabs a été créée par trois étudiants diplômés du MIT en 2011, avec pour mission de construire la première imprimante 3D capable d’atteindre une qualité industrielle et professionnelle à un prix abordable. Depuis, l’entreprise est devenue l’un des plus grands fournisseurs d’imprimantes 3D de stéréolithographie et de frittage sélectif par laser au monde.

Le portefeuille Formlabs comprend un mélange d’imprimantes 3D de bureau abordables et de qualité industrielle, d’imprimantes 3D grand format, et d’imprimantes 3D de bureau avancées pour le secteur de la santé. Ses imprimantes peuvent travailler avec plus de 20 résines fonctionnelles pour le prototypage et la production de pièces en usage final. Elles sont également compatibles avec au moins six matériaux industriels de haute performance, dont le nylon 11, le nylon 12, le TPU, le polypropylène, le verre, et les composites de nylon remplis de carbone. Les imprimantes sont adaptées à travailler en conditions ambiantes, seules les résines PU nécessitant une armoire sèche pour le contrôle de l’humidité. Elles fonctionnent également bien en atmosphère d’air et d’azote pour améliorer les propriétés des matériaux et réduire les temps de rafraîchissement.

Selon les rapports publiés en 2021, l’entreprise a doublé sa valorisation à 2 milliards de dollars US, suite à une levée de fonds de 150 millions de dollars menée par le Vision Fund 2 de SoftBank Group. Avant cela, l’entreprise était valorisée à plus d’un milliard de dollars lorsqu’elle a levé 15 millions de dollars auprès de New Enterprise Associates (NEA) en août 2018.

Fabrication additive : un changement de jeu dans le domaine de la recherche scientifique

La recherche scientifique nécessite des machines de pointe, pourtant ces dispositifs sont coûteux et peuvent souvent dépasser les moyens des institutions de recherche et des chercheurs indépendants. Dans ce contexte, la fabrication additive ou l’impression 3D constitue une bénédiction, car elles sont faciles à développer et à faible coût. De plus, elles offrent des résultats comparables à ceux des dispositifs commerciaux en termes de précision, qui sont beaucoup plus chers et généralement réservés aux grandes entreprises et institutions.

De plus, la fabrication additive résout également les défis logistiques. Cela est crucial car fournir l’équipement scientifique exact au moment précis où il est requis peut être coûteux et chronophage. À cet égard, l’impression 3D aide à résoudre ce défi également.

En outre, lorsqu’on considère les aspects physiques des équipements scientifiques, souvent lourds et complexes, peu adaptés au transport vers des lieux difficiles d’accès, les avantages deviennent encore plus évidents. Comme nous l’avons déjà vu dans les scénarios d’exploration spatiale et d’études géologiques, transporter des imprimantes 3D portables et des matières premières vers ces endroits est utile pour développer l’équipement sur place.

Dans l’ensemble, ces facteurs démontrent que la fabrication additive ouvre un nouvel horizon où l’accès aux équipements scientifiques devient non seulement plus abordable, mais aussi un exercice sans tracas.

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