Parmi le large éventail de technologies susceptibles de renforcer une application de fabrication additive, les nanotechnologies sont souvent les moins mentionnées. Pourtant, la synergie entre ces deux technologies peut déboucher sur des applications polyvalentes et multifonctionnelles qui dépassent le cadre de l’industrie des soins de santé. L’une des raisons qui peut expliquer ce manque d’exposition est une compréhension floue des nanotechnologies et de la façon dont la fabrication additive et les nanotechnologies peuvent s’entremêler.
Pour une raison ou une autre, les nanotechnologies sont souvent confondues avec les « minuscules robots » ou la technologie de « l’impression micro-3D« . Ce domaine d’activité fait en réalité référence à la science des matériaux à l’échelle nanométrique. Il touche à une variété de sciences telles que la physique, la chimie, la biologie et de nombreuses branches de l’ingénierie.
L’échelle nanométrique est 1000 fois plus petite que l’échelle microscopique et un million de fois plus petite qu’un millimètre – il s’agit ici d’atomes individuels ou de petits groupes d’atomes, ces derniers étant appelés nanoparticules. Outre la taille, un phénomène intéressant est utilisé lorsque l’on travaille à l’échelle nanométrique : dans de nombreux cas, l’augmentation du rapport [surface] : [volume] par l’exposition d’un plus grand nombre d’atomes modifie radicalement les propriétés matérielles attendues d’un dispositif ou d’un objet.
Comment la FA et les nanotechnologies s’entremêlent-elles ?
En termes simples, la FA peut être appliquée aux nanotechnologies d’une part, et les nanotechnologies peuvent être appliquées à la FA d’autre part.
Dans le premier cas, la complexité et la souplesse de conception des structures à l’échelle nanométrique peuvent être améliorées grâce à l’impression 3D, ce qui signifie que la FA devient un outil utilisé pour créer des structures et des géométries à l’échelle nanométrique. Aux yeux du public, il s’agirait d’une avancée gigantesque, car la plupart des technologies additives disponibles dans le commerce ont une résolution de 25 à 50 microns seulement (les technologies SLA et DLP principalement). Plusieurs techniques nanotechnologiques de nature additive sont déjà couramment utilisées dans l’industrie des nanotechnologies : la lithographie à deux photons, la nanolithographie par immersion, la fusion par faisceau d’électrons et le dépôt par couche atomique, pour n’en citer que quelques-unes. Il ne faut cependant pas s’y tromper, car ces techniques sont intrinsèquement très fragiles et requièrent une grande précision en l’état, de sorte que leur introduction sur le marché industriel constitue un défi.
Dans ce dernier cas, les caractéristiques des pièces imprimées en 3D peuvent être améliorées grâce aux propriétés avancées et personnalisables des nanomatériaux. D’une certaine manière, nous le constatons déjà : plusieurs entreprises telles que Tethon3D, Covestro et Mechnano ajoutent des nanocomposites à leurs résines photopolymères afin d’améliorer considérablement les propriétés des matériaux.
Cela signifie que les nanoparticules (NPs) peuvent être incorporées dans un matériau hôte de l’impression 3D, tel qu’un polymère ou une matrice céramique, pour former un nanocomposite. Le nouveau matériau peut ensuite être utilisé comme matière première dans les processus de FA tels que le procédé FDM, SLS ou SLA. Cette incorporation peut combler un vide qui permettrait de produire des géométries à grande échelle dotées de propriétés exceptionnelles, en s’attaquant ainsi au problème le plus courant de la FA : le nombre limité de matériaux de base compatibles avec un processus de FA donné.
Dans la plupart des cas, ces nanocomposites sont des particules céramiques nanométriques ou même des nanotubes de carbone, mais ces matériaux deviennent chaque jour plus avancés et uniques. Ainsi, plus l’accent est mis sur le développement des matériaux, plus le rôle critique des nanotechnologies est mis en évidence.
Quels sont les défis à relever pour combiner les deux technologies ?
L’un des principaux problèmes liés à l’ajout de la nanotechnologie aux techniques de fabrication additive existantes est le souci de la sécurité environnementale et personnelle. Aujourd’hui encore, nous étudions l’impact négatif des microplastiques et en trouvons des traces sur nos plages et dans notre système sanguin. Tout comme les générations précédentes ont dû faire face à l’exposition au mercure, au plomb et à l’amiante, la dernière chose dont le monde a besoin est de faire face à une exposition indésirable aux nanotechnologies. Dans de nombreux cas, les nanotechnologies sont sans danger – par exemple, si votre crème solaire est blanche, c’est en grande partie grâce aux nanoparticules de dioxyde de titane qu’elle contient et qui réfléchissent les rayons UV du soleil, ou aux nanoparticules d’argent contenues dans votre détergent pour le linge, qui ont un effet antimicrobien étonnant. Les feuilles de nitrure de bore hexagonal présentes dans votre maquillage constituent un lubrifiant efficace qui ne nécessite aucune molécule de liquide ou de gaz, sans parler de l’un des éléments les plus célèbres de la nanotechnologie : le graphite des crayons !
Toutefois, il est important de comprendre que pour chaque matériau ou dispositif nanométrique qui a des effets extrêmement positifs dans notre vie quotidienne, il en existe un autre qui pourrait causer de graves problèmes de santé. Un grand nombre d’essais et de réglementations sont utilisés dans les phases de recherche afin d’éviter que ces risques pour l’environnement et la santé personnelle ne deviennent « le prochain microplastique », pour ainsi dire, et ce sujet de responsabilité est largement débattu au sein de la communauté des nanotechnologies.
Quelles applications?
Par ailleurs, les principales industries qui pourraient bénéficier de l’impression 3D de nanocomposites sont les secteurs biomédical et électronique. Une meilleure organisation des atomes de toute structure s’accompagne de propriétés matérielles accrues et donc de dispositifs/structures mieux conçus. Les résines photopolymères contenant des charges nanocomposites ont déjà fait un bond en avant dans les propriétés des matériaux : solidité, conductivité thermique, résistance électrique, résistance aux chocs, etc. Par exemple, en intégrant des nanotubes de carbone et des NP d’hydroxyapatite (HAp) dans le polymère acrylique polyméthacrylate de méthyle (PMMA), il est possible d’améliorer les défauts qui peuvent survenir lors de la fixation chirurgicale d’articulations artificielles.
Les résines photopolymères pour les procédés SLA, DLP et certaines techniques de projection de matériaux favoriseront l’utilisation des nanotechnologies car ce sont les matériaux les plus faciles à améliorer, suivis par les thermoplastiques pour les procédés FDM. Il faudra probablement plus de temps pour que la fabrication additive métal suive en raison des conditions de traitement difficiles de techniques telles que la fusion sur lit de poudre et le dépôt d’énergie dirigée.
La création de structures présentant des surfaces parfaites, des caractéristiques à l’échelle microscopique et une cohérence inégalée, associée à l’automatisation de la fabrication additive, promet sans aucun doute d’être une combinaison puissante.
A propos des auteurs
Ce dossier a été coécrit par Andrew Miller et Kety Sindze de 3D ADEPT Media. Ingénieur mécanicien de formation, Andrew Miller a décidé de consacrer sa carrière à la fabrication additive et aux nanotechnologies. Coauteur de deux publications sur les échangeurs de chaleur en métal fabriqués de manière additive, il s’est familiarisé avec la mécanique des fractures des pièces de moteurs de fusées lorsqu’il travaillait comme ingénieur aérospatial pour Blue Origin. C’est là qu’il lui est apparu clairement qu’en élargissant ses horizons dans le domaine de la science des matériaux, il élargirait sa connaissance de la fabrication additive, et qu’en se spécialisant dans le domaine des nanotechnologies, il assurerait l’avenir de cette formation.
Il fait partie du programme d’études supérieures Johns Hopkins Engineering for Professionals et, fort des leçons apprises auprès du professeur John Slotwinski, président du comité exécutif de l’ASTM sur les technologies de fabrication additive, il rêve de contribuer à la communauté de la fabrication additive en mettant en œuvre les nanotechnologies de manière nouvelle pendant le reste de sa carrière.