Les familles de matériaux utilisés avec les imprimantes 3D

La plupart des imprimantes fonctionnent avec une seule famille de matériau. Pour créer des produits plus utiles et pour élargir le marché, les imprimantes 3D auront besoin de pouvoir utiliser plusieurs types de matériaux dans un seul cycle de construction. Divers facteurs, principalement liés aux matériaux eux-mêmes, rendent cette objectif difficile. Par exemple, la plupart des imprimantes sont plus ou moins construites autour d’un matériau idéal qui répond à une gamme étroite de températures de solidification, de refroidissement, de type d’accroche sur le plateau, de types de formes…etc, en fait les imprimantes répondent à un choix déterminé du constructeur (l’ABS pour Zortrax, Le PLA pour la Witbox ou Dremel…)
Les imprimantes liquéfient ou solidifient des substances pour manipuler la matière dans des formes très spécifiques le plus souvent. Les caractéristiques exigées pour une famille de matériau excluent de nombreux autres matériaux potentiels, au moins au niveau actuel de technicité.

Cette recherche dans la capacité des imprimantes 3D à utiliser des matériaux multiples favorisera certaines méthodes d’impression par rapport à d’autres. La technologie FFF a un fort potentiel pour accueillir de multiples matériaux sans être obligé de déployer des efforts considérables pour améliorer la technologie. Une des raisons est qu’il est assez facile tout compte fait d’ajouter des têtes d’impression pour gérer d’autres matériaux.

Pour l’impression de matériaux multiples, la technologie du jet d’encre (Voxeljet) représente un potentiel incroyable. Des procédés tels que le frittage sélectif par laser utilisent une technologie à jet d’encre. Cette technologie peut gérer plusieurs matériaux différents sous forme de poudres, affectés à plusieurs têtes d’impression. Grce à cette technologie, les pièces ou ensembles de pièces peuvent être fabriqués à partir de matériaux différents dans un seul tirage. Aujourd’hui, cette technologie est plutôt réservée aux imprimantes haut de gamme et prospectivement à la production d’objets en masse.
La projection de deux ou plusieurs matériaux de base dans des combinaisons différentes, permet la création de nouvelles propriétés de matériau qui va du plastique rigide au caoutchouc et de matériaux opaques à transparents. Cette technologie permet également l’impression de plusieurs couleurs. Par exemple, les imprimantes Stratasys Objet500 Connex3 supportent à la fois les matériaux et couleurs multiples, ainsi une partie imprimée peut avoir 14 propriétés différentes avec une palette de 10 couleurs !

Aujourd’hui, les imprimantes multi-matériaux se cantonne à une seule famille de matériaux polymères, et sont largement utilisés pour le prototypage, ainsi les concepteurs peuvent vérifier la forme, la fonction, l’ajustement et la sensation.
Les progrès sont encore nécessaires pour combiner les différentes familles de matériaux, comme les métaux et les matières plastiques, dans un seul cycle d’impression.
Les développements sur ce front en sont aux premiers balbutiements, dans les laboratoires de recherche, il faudra probablement plus de cinq ans avant que des produits soient sur le marché.

Les tendances émergentes dans l’impression de systèmes complets
Dans un future à moyen terme, s’offrira à nous la possibilité d’imprimer des systèmes complets ou des sous-systèmes. Ces imprimantes auront la capacité d’imprimer des matériaux multiples ce qui sera très utile pour l’industrie, puisque la plupart des produits finis sont fabriqués à partir de plusieurs matières. Nous avons déjà la possibilité d’intégrer des composants extérieurs tels que des capteurs, de l’électronique, des batteries, cependant ces composants pourront à l’avenir être directement imprimés dans la masse de l’objet ce qui marquera une avancée déterminante dans l’histoire des process de fabrication.

Les efforts de R&D sont en cours dans un certain nombre de domaines, y compris les matériaux, les méthodes d’impression, et la combinaison des techniques d’impression additives avec les méthodes traditionnelles.
Le principal défi en science des matériaux est de développer des encres qui peuvent être la base pour l’impression de différents types de produits, qu’ils soient capteurs, électronique, ou des batteries.
Par exemple, Xerox PARC développe des encres pour imprimer des circuits électroniques, des antennes, et des étiquettes RFID qu’ont pourra directement imprimer dans l’objet !
10 même,
A la Harvard School of Engineering and Applied Sciences, le professeur Jennifer A. Lewis a développé un bloc de batterie lithium-ion imprimée en 3D dont la structure est constituée de fines couches d’encre superposées améliorant ainsi son efficacité.
L’avenir de fabrication additif ne se limite pas à des objets inanimés. L’équipe de Lewis a développé de la bio-encre pour imprimer des tissus vivants. L’équipe utilise plusieurs têtes d’impression et les encres personnalisées pour créer des tissus vivants complexes, complété avec des vaisseaux sangins minuscule
Certaines compagnies pharmaceutiques utilisent déjà l’impression de tissus pour tester des médicaments.
La bio-impression utilise généralement deux encres : l’une est le matériau biologique et l’autre est un hydrogel qui fournit l’environnement dans lequel le tissu et les cellules peuvent se développer.
La découverte qui a permis d’ajouter des vaisseaux sanguins fut le résultat du développement d’une troisième encre qui a une propriété inhabituelle : elle fond quand elle se refroidit et non quand elle est réchauffée ! Cette propriété a permis aux scientifiques d’imprimer un réseau interconnecté de filaments et ensuite les fondre en refroidissant la matière. En fondant, le liquide adopte un état de matière qui permet, comme dans un syphon, de se réorganiser pour créer un réseau de tubes creux, ou vaisseaux, à l’intérieur du tissu. Ces créations ne sont possibles que grâce à l’impression 3D, ainsi générant de nouvelles possibilités au-delà de la fabrication traditionnelle.