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Impression 3D : des défis scientifiques et techniques

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La fabrication d’objets avec les techniques d’impression à trois dimensions (3D) s’est développée depuis une dizaine d’années. La matière première, un polymère, un composé inorganique ou un métal, est déposée par couches successives sur un support (d’où le nom de fabrication additive donné aussi au procédé) ; la fabrication est programmée à l’aide d’un logiciel spécifique pour chaque objet. L’utilisation d’imprimantes 3D par les particuliers, après un engouement initial, semble stagner et, aujourd’hui, ce sont les usages industriels qui sont leaders. Les secteurs du génie médical, de l’aéronautique et de l’automobile, et de l’énergie sont les plus concernés avec la production de pièces métalliques de petite taille (respectivement 16 %, 29 % et 13 % du marché) — par exemple : une pièce métallique pour une prothèse de hanche (en titane ou un alliage chrome-cobalt), une valve hydraulique, une buse d’un injecteur de carburant. L’impression 3D de pièces métalliques pose des problèmes scientifiques et techniques difficiles, analysés dans un article de la revue britannique Nature Materials.

Buse d’injection de carburant pour moteur d’avion fabriquée en 3D par General Electric

La matière première métallique, sous forme de poudres ou de fils, est fondue soit avec un laser, soit avec un faisceau d’électrons, et lorsqu’elle est déposée elle se solidifie rapidement en subissant un choc thermique. Le principal défi scientifique est de comprendre la relation entre les microstructures qui se forment dans le métal solidifié pendant l’impression. Celles-ci sont des dislocations ou des agrégats atomiques formés dans le métal lors d’un refroidissement rapide, et qui évoluent lors des cycles thermiques auxquels sont soumis les matériaux : elles affectent les propriétés mécaniques (la corrosion et la résistance aux chocs notamment) d’une pièce. Ces questions sont l’objet de recherches, notamment dans des laboratoires de métallurgie.

De même les procédés sont-ils l’objet de recherches techniques afin de les optimiser pour économiser la matière première, d’augmenter les dimensions des pièces et aussi de traiter les surfaces pour éviter la formation de rugosités ; le soudage de plusieurs pièces est également un problème important. Le perfectionnement des logiciels utilisés pour l’impression est aussi un point clef (l’intelligence artificielle permettant de modéliser le processus). Le nombre de brevets attribués portant sur ces techniques et d’articles qui leur sont consacrés, sur la période 2014-2018, est un indicateur de l’importance des enjeux technico-scientifiques. General Electric, Boeing et Rolls-Royce sont les trois premières entreprises déposant des brevets (un millier pour la première, de 300 à 400 pour les deux autres). L’université technologique de Nanyang à Singapour (près de 350 articles), le CNRS (Centre national de la recherche scientifique), l’Académie des sciences de Chine, la société Fraunhofer en Allemagne, l’université de Pennsylvanie et le MIT (Massachusetts Institute of Technology) sont parmi les institutions académiques publiant le plus d’articles.

En dépit d’une progression de la variété de pièces métalliques produites entre 2013 et 2017 (de 300 à 1 700 environ), le marché mondial de l’impression 3D reste encore limité (7,3 milliards de dollars US en 2017, soit 0,06 % de la fabrication industrielle). Le coût des procédés est un handicap pour son développement (ce coût étant grevé par celui très élevé des équipements, celui des métaux ayant peu d’incidence sur le prix des pièces) ; les méthodes métallurgiques classiques sont plus rentables pour produire des pièces simples, l’impression 3D étant compétitive pour des pièces complexes produites en petit nombre. Il semble que cette technique industrielle soit encore un marché de niche (des pièces compliquées fabriquées avec une grande précision, par exemple destinées à des moteurs d’avion ou des prothèses médicales) et elle pénètre peu dans les petites et moyennes entreprises car le coût des investissements est élevé. Les auteurs de l’article de Nature Materials préconisent des mesures pour la développer : un effort de recherche « précompétitif » associant laboratoires académiques et entreprises ; la création de bases de données sur les métaux utilisés ; une standardisation des procédés ; des programmes de formation d’ingénieurs, de techniciens et d’opérateurs de machines.

Les techniques d’impression 3D pénètrent aussi dans des secteurs où la matière première est non métallique. Le BTP (bâtiment-travaux publics) est l’un deux, il s’agit d’industrialiser, par exemple, la fabrication de façades ou de cloisons d’immeuble et de maisons (avec du béton ou des matériaux naturels), des expérimentations ont eu lieu à Nantes et à Reims. Dans un domaine où la demande est importante et où il faut comprimer les coûts, il n’est pas certain qu’elles soient rentables.

À une autre échelle, le secteur de la santé, il existe une demande pour la production de petits objets avec des matériaux d’origine biologique (la « biofabrication ») pouvant s’insérer dans le corps humain pour régénérer, partiellement ou totalement, des tissus et des organes humains. La plupart d’entre eux (le cœur par exemple) sont constitués de cellules spécifiques, musculaires notamment, maintenues en place par un « échafaudage » biologique constitué de protéines (appelé matrice extracellulaire), en particulier le collagène qui a la forme d’une triple hélice (ilest le constituant de la gélatine, un gel très utilisé en cuisine, par exemple dans les œufs en gelée).

L’impression 3D de structures biologiques est difficile car elles doivent résister à des fortes contraintes. Un groupe de chercheurs de l’université Carnegie Mellon à Pittsburgh, aux États-Unis, a réalisé une première : l’impression 3D d’une matrice de collagène destinée à remplacer des constituants d’un cœur humain (un réseau vasculaire et des valves cardiaques). Pour fabriquer une valve ou un ventricule cardiaque, les chercheurs déposent couche par couche, sur un support, une solution concentrée de collagène, contenant des cellules cardiaquesprovenant de cellules souches, en faisant varier rapidement le pH (l’acidité) afin de les solidifier, ils ont ainsi fabriqué une valve de 28 millimètres de diamètre. Cette technique prometteuse pourrait ouvrir de nouvelles perspectives à la médecine réparatrice. Pour se développer, l’impression 3D devra maîtriser des techniques au carrefour des matériaux, de la mécanique, de l’optique et de l’informatique.

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Cet article est en accès libre jusqu'au 11/01/2020. Devenez membre pour accéder à l'ensemble des productions de l'association.

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