Dossier publié initialement dans 3D ADEPT MAG en janvier–février 2021. Les entretiens et les travaux présentés reflètent cette période ; ils réunissent des matériaux commercialisés, des recherches et des expérimentations de makers à des niveaux de maturité différents.
Les matériaux de fabrication additive peuvent surprendre par leur formulation, leur origine ou la manière dont ils sont mis en œuvre. Ce dossier explore cinq approches, du polypropylène au contact de l’eau aux motifs de béton inspirés de la nature.
Ces exemples n’ont pas tous le même degré de validation. Leurs performances dépendent du procédé, des essais et de l’application ; une idée originale ne constitue pas, à elle seule, une preuve d’efficacité industrielle.
1. Le polypropylène au contact de l’eau
Produire des pièces au contact de l’eau demande de choisir des matériaux et un procédé compatibles avec l’usage prévu.
Pour un raccord d’eau potable, la qualité de l’eau, la tenue mécanique, l’étanchéité et les conditions d’installation sont des exigences distinctes.
Ricoh présentait alors sa poudre de polypropylène pour le frittage sélectif au laser (SLS), destinée notamment à des pièces industrielles et à des applications au contact de l’eau.
La documentation Ricoh de 2021 mentionne une approbation WRAS du matériau. Le fabricant décrit les essais de qualité de l’eau en ces termes :
« – elle n’affecte pas la qualité de l’eau en changeant son apparence, son goût ou son odeur ;
– elle n’entraîne pas de lixiviation de composés toxiques et de métaux lourds qui pourraient être nocifs;
– elle ne favorise pas la croissance microbienne dans les canalisations, éliminant ainsi le risque de formation de boue inesthétique ».
« Combinées à sa stabilité chimique et à son étanchéité, les pièces produites avec notre matériau polypropylène sont une solution idéale pour la production de prototypes fonctionnels et de composants en série pour les applications en contact avec l’eau », commente Enrico Gallino, ingénieur principal – spécialiste de la fabrication additive pour les matériaux chez Ricoh UK.
Cette approbation de matériau ne vaut pas approbation de toutes les pièces imprimées ni de toute installation. Sa portée et ses conditions doivent être distinguées de la qualification du produit fini, comme l’explique WRAS ; la mention historique ne confirme pas sa validité actuelle.
2. L’exploration spatiale
Made In Space a développé l’emploi d’un mélange polyétherimide/polycarbonate (PEI/PC) pour la fabrication en orbite. Son bilan de mars 2018 cite ce matériau parmi ceux utilisés par l’Additive Manufacturing Facility à bord de la Station spatiale internationale.
L’entreprise présentait ainsi les propriétés recherchées pour des usages spatiaux : « il ne va pas émettre de particules dans le vide, il est résistant à l’environnement UV, il est résistant à l’oxygène atomique, il peut donc effectuer des utilisations réelles dans l’espace ».
Les formulations à base de PEI ne sont pas interchangeables. En particulier, ULTEM 1010 est une résine PEI et ne doit pas être présenté comme un mélange PEI/PC au même titre qu’une formulation modifiée. Les performances, le dégazage et l’aptitude à un usage spatial doivent être évalués pour le matériau, le procédé et la pièce concernés.
Comme l’a déclaré le président-directeur général de MIS lors du lancement de ce matériau : « La fabrication avec le matériau PEI/PC augmente réellement la valeur de la fabrication dans l’espace pour les vols spatiaux habités. Le PEI/PC est un matériau véritablement adapté à l’espace. Grâce à lui, il est possible de créer sur place, à la demande, des outils et des réparations pour les activités extravéhiculaires (EVA), des outils, des pièces de rechange et des réparations pour les activités intra-véhiculaires (IVA) plus solides et plus performantes, et même une structure de satellite. Cela permet des missions et des expériences scientifiques plus sûres et moins massives ».
Ces possibilités décrites par l’entreprise ne dispensent pas des essais et de la qualification propres à chaque mission.
3. Transformer les déchets humains en un matériau d’impression 3D
Le projet étudiant Astroplastic explore une autre voie : produire un bioplastique à partir de composés présents dans des déchets humains, en vue d’une éventuelle utilisation dans l’espace.
Une équipe de l’université de Calgary a présenté ce projet au concours iGEM en 2017. Il s’agit de travaux de recherche, et non d’un procédé d’impression déjà qualifié pour des missions spatiales.
Le projet Astroplastic: From Colon to Colony cherche à combiner gestion des déchets et production locale de matière, afin de réduire les ressources à transporter.
Pour ce dossier de janvier–février 2021, Alina Kunitskaya, l’une des responsables du projet, a répondu à nos questions sur les résultats et les limites des travaux.
Pourriez-vous nous expliquer le processus d’utilisation des déchets humains pour la création d’un matériau d’impression en 3D ?
Notre projet intitulé “Astroplastic” vise à relever deux défis majeurs dans le cadre des futures missions humaines vers Mars : la gestion durable des déchets et le coût élevé de l’expédition de matériaux vers l’espace. Dans notre système, le bioplastique poly(3-hydroxybutyrate), ou PHB en abrégé, est produit par des bactéries Escherichia coli génétiquement modifiées qui utilisent les acides gras volatils présents dans les déchets humains solides.
Pour décrire le processus proposé plus en détail, les excréments des astronautes sont d’abord collectés dans un réservoir de stockage à l’aide d’une toilette à vide. Les fèces sont ensuite transférées dans un autre réservoir et laissées à fermenter pendant 3 jours avec des bactéries naturellement présentes dans les fèces humaines pour augmenter la concentration d’acides gras volatils. Ensuite, le liquide contenant les acides gras volatils et d’autres nutriments provenant des déchets humains est séparé des particules solides par centrifugation suivie d’une filtration. Les acides gras volatils obtenus sont ensuite ajoutés à un fermenteur contenant la bactérie E. coli productrice de PHB. Enfin, le PHB produit par les bactéries est extrait du flux de récolte liquide et séché, ce qui donne la matière bioplastique en poudre.
Êtes-vous vraiment allé jusqu’au bout de l’expérience pour découvrir quel type d’objets (souples, solides, etc.) – et sur quelle technologie AM – on peut imprimer ce type de matériaux ?
Nous pensons que le bioplastique produit peut être utilisé pour imprimer des objets solides. Nous espérons en particulier que les astronautes pourront l’utiliser pour imprimer des outils et de petits objets qui pourront servir de pièces de rechange pour les réparations d’entretien ou les expériences scientifiques. Comme le produit final est une matière plastique en poudre, nous avons considéré que le frittage sélectif au laser était la technologie de FA la plus appropriée. Cependant, nos expériences ont été réalisées à petite échelle et nous n’avions donc pas assez de matière pour tester l’utilisation de la matière produite dans le frittage laser sélectif jusqu’à présent.
Dans quelle mesure ce matériau imprimable en 3D serait-il différent des autres matériaux que nous utilisons habituellement pour l’impression 3D ?
Bien que le PHB ait déjà été utilisé pour l’impression 3D, il peut être assez fragile. Nous devrions étudier plus en profondeur s’il est nécessaire de post-traiter le bioplastique produit pour créer un mélange aux propriétés appropriées.
Où en est le projet « Astroplastic: From Colon to Colony » ?
Nous avons réussi à mettre au point un E. coli pour produire le bioplastique PHB, qui a été testé en utilisant un simulant de déchets humains solides. Comme les bactéries produisent naturellement des granules de PHB en interne, nous avons également conçu des bactéries pour qu’elles sécrètent le PHB produit afin d’en faciliter l’extraction. Parallèlement à ces expériences biologiques, nous avons également mis au point un concept de processus de production de PHB sur Mars, du début à la fin, en nous basant sur les commentaires des experts, déterminé les conditions de fonctionnement optimales pour plusieurs étapes et testé plusieurs étapes en laboratoire. Ce projet a été présenté lors du concours international “Genetically Engineered Machine” (iGEM), et a reçu une médaille d’or et une nomination pour le meilleur projet de fabrication.
À la suite du concours iGEM, nous avons également étudié comment adapter le processus proposé à l’environnement de microgravité (puisque le processus initial a été développé pour l’environnement de gravité martien). En particulier, nous avons testé l’étape d’extraction plastique du procédé en microgravité à bord d’un vol parabolique.
Existe-t-il une méthode générale pour déterminer si une matière première peut donner un filament de qualité régulière ?
En tant que groupe d’étudiants, nous avions des ressources et une expertise limitées pour tester l’utilisation de notre produit. À ce stade du projet, nous nous sommes appuyés sur la littérature existante concernant notre produit ou des produits similaires (matière plastique en poudre) pour déterminer la faisabilité de l’utilisation de ce matériau et pour identifier les technologies de FA appropriées.
4. Des bandes magnétiques de cassettes VHS transformées en filament
Si vous faites partie de la génération X ou Y, alors vous connaissez certainement le VHS, qui signifie Video Home System, une norme pour l’enregistrement vidéo analogique sur cassettes au niveau du consommateur. Avec toutes les plates-formes de streaming disponibles aujourd’hui, ces cassettes sont devenues assez obsolètes.
Le maker russe Andrew, connu sous le nom Brother, expérimente des filaments issus de différents déchets plastiques. Sa chaîne YouTube présente notamment ses essais avec des bandes de cassettes VHS.
« Je veux sauver la planète des ordures, au moins un tout petit peu. Je pense que si beaucoup de gens répètent mes expériences, la planète deviendra plus propre. En passant devant la décharge, j’ai vu plus de 100 cassettes VHS. Au début, je pensais utiliser des boîtiers de cassettes, mais j’ai finalement décidé d’essayer de faire fondre la bande, » a-t-il déclaré à 3D ADEPT Media.
Brother récupère la bande magnétique à l’intérieur des cassettes, puis la prépare pour former un filament.
Il explique avoir utilisé un dispositif conçu pour réunir les bandes de plusieurs cassettes en un brin d’environ 3 mm, avec plusieurs essais pour ajuster sa régularité.
« Le filament de la bande doit être chauffé plus que le filament d’une imprimante 3D standard, de sorte qu’il imprime à une vitesse beaucoup plus lente, mais le produit qui en résulte est impossible à distinguer d’une impression normale, sauf pour la couleur », a déclaré Bryan Cockfield dans le Hackaday post. « Il possède également d’autres propriétés intéressantes, comme le fait de conserver le magnétisme de la bande magnétique, et d’être un peu plus fragile que le plastique PET bien qu’il semble un peu plus résistant ».
Après plusieurs tests sur son imprimante 3D Omni, le maker a constaté que le filament est assez solide et donne des impressions avec une texture lisse. Toutefois, lorsqu’on lui a demandé dans quelle mesure ce matériau imprimable en 3D est différent des autres matériaux qu’il utilise habituellement pour l’impression 3D, il a répondu :
« J’imprime généralement avec des matériaux inhabituels qui sont des plastiques recyclés. Par conséquent, je ne peux pas comparer ces matériaux avec les matériaux d’impression 3D utilisés dans les usines. Le filament VHS est intéressant en ce sens qu’il présente une conductivité électrique, bien qu’ayant une résistance élevée, et une magnétisation. Le post-traitement est inutile pour ce matériau. Les objets imprimés ont une très belle structure. Il ne reste pas beaucoup de bandes dans le monde. Et bien sûr, une telle technologie de production de filaments ne peut pas être introduite dans la production de masse, mais vous pouvez observer la composition du ruban et créer un filament d’usine sur sa base ».
Ces observations concernent une expérimentation de maker. L’entretien ne fournit ni caractérisation normalisée du filament, ni analyse de cycle de vie démontrant un bénéfice environnemental.
5. Des trajectoires de béton inspirées des carapaces de homard
Si l’impression 3D en construction offre de nombreux avantages pour l’industrie du bâtiment, l’un des défis les plus importants auxquels les constructeurs sont confrontés concerne les matériaux. Les chercheurs continuent d’explorer les possibilités des matériaux pour ce segment spécifique et ont déjà sorti quelques idées inattendues pour imprimer des structures dans l’industrie de la construction. L’une d’entre elles concerne les cendres volantes, un résidu du charbon brûlé.
Cependant, si nous écrivons ces lignes, c’est pour répondre à l’un des défis posés par l’un des matériaux les plus utilisés dans l’impression 3D de construction : le béton. Sauf que cette fois, nous parlerons de homards et de béton.
Dans des travaux présentés le 19 janvier 2021, une équipe de l’université RMIT a étudié des motifs d’impression inspirés de la structure interne des carapaces de homard.
L’inspiration porte sur l’organisation hélicoïdale de cette structure. L’objectif est d’orienter les propriétés mécaniques du béton imprimé selon les efforts à reprendre, sans confondre résistance mesurée et durabilité à long terme.
Les chercheurs ont combiné ces trajectoires à un mélange renforcé de fibres d’acier. Les résultats concernent les formulations et les éprouvettes testées ; ils ne démontrent pas une supériorité sur tous les bétons conventionnels.
En parlant des avantages de l’approche bio-inspirée dans l’impression 3D du béton, le chercheur principal, le Dr Jonathan Tran, a déclaré : « Nous savons que les matériaux naturels comme les exosquelettes de homard ont évolué en structures de haute performance au cours de millions d’années, donc en imitant leurs avantages clés, nous pouvons suivre là où la nature a déjà innové ».
L’équipe a testé l’impact de l’impression du béton selon des motifs hélicoïdaux (inspirés de la structure interne des carapaces de homard), des motifs croisés et quasi-isotropes (similaires à ceux utilisés pour les structures composites laminées et les composites déposés couche par couche) et des motifs unidirectionnels standard.
Les résultats ont montré une amélioration de la résistance de chacun des motifs, par rapport à l’impression unidirectionnelle, mais Tran a déclaré que les motifs en spirale étaient les plus prometteurs pour soutenir des structures complexes en béton imprimé en 3D.
« Comme les coquilles de homard sont naturellement résistantes et naturellement courbées, nous savons que cela pourrait nous aider à obtenir des formes en béton plus résistantes comme des arcs et des structures fluides ou tordues », a déclaré Tran.
« Ce travail n’en est qu’à ses débuts, nous devons donc poursuivre les recherches pour tester les performances du béton sur un plus large éventail de paramètres, mais nos premiers résultats expérimentaux montrent que nous sommes sur la bonne voie ».
RMIT indiquait en janvier 2021 que les études suivantes pourraient s’appuyer sur une nouvelle imprimante mobile de béton à grande échelle.
Cette sélection montre la diversité des pistes explorées. Le passage d’une idée, d’un essai ou d’un matériau commercial à une application dépend toujours des propriétés démontrées et des exigences de son usage.
Ce dossier a été initialement publié dans le numéro de janvier–février 2021 de 3D ADEPT MAG.
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