Dossier paru dans le numéro de juillet/août 2023 de 3D ADEPT Mag, coécrit par Andrew Miller et Kety Sindze. Les perspectives et la présentation des auteurs se rapportent à cette période.
Parmi les technologies susceptibles d’élargir les applications de la fabrication additive, les nanotechnologies restent parfois difficiles à situer. Leur rapprochement peut ouvrir des possibilités dans la santé, mais aussi dans l’électronique et d’autres secteurs. Pour comprendre ces perspectives, il faut distinguer la fabrication de structures très fines de l’emploi de nanomatériaux dans des pièces de plus grande taille.
Que signifie travailler à l’échelle nanométrique ?
Les nanotechnologies ne se limitent ni à de minuscules robots, ni à l’impression 3D de petites pièces. Elles mobilisent la physique, la chimie, la biologie et différentes branches de l’ingénierie pour étudier et exploiter la matière à très petite échelle.
Un nanomètre vaut un milliardième de mètre, soit un millième de micromètre. La National Nanotechnology Initiative situe généralement le domaine entre environ 1 et 100 nanomètres. Une nanoparticule n’est pas simplement un atome isolé : elle peut rassembler de nombreux atomes. À cette échelle, le rapport entre surface et volume et d’autres effets liés à la taille peuvent modifier le comportement d’un matériau.
Fabriquer des structures fines : des procédés à distinguer
Le premier rapprochement consiste à employer des techniques de fabrication pour produire des structures présentant des détails micro- ou nanométriques. La résolution doit être décrite avec soin : l’épaisseur de couche, la taille d’un détail latéral et les dimensions totales d’un objet ne mesurent pas la même chose. Une valeur unique ne représente donc pas l’ensemble des systèmes de fabrication additive.
La polymérisation à deux photons permet de créer des structures en résine avec des détails inférieurs au micromètre. La nanolithographie Dip-Pen utilise une pointe pour déposer des molécules sur une surface. Le dépôt par couches atomiques sert à former des films minces par réactions de surface successives. Ces procédés n’ont ni les mêmes objets ni les mêmes capacités ; ils ne doivent pas tous être présentés comme des imprimantes 3D équivalentes.
La fusion sur lit de poudre métallique par faisceau d’électrons constitue encore un autre procédé : elle ne doit pas être assimilée à une technique de fabrication nanométrique. Pour les structures très fines, la précision, la taille accessible, le matériau et le débit de fabrication doivent être examinés ensemble avant d’envisager un usage industriel.
Incorporer des nanomatériaux dans les pièces imprimées
Le second rapprochement concerne la formulation des matériaux. Des nanoparticules ou des nanotubes peuvent être introduits dans une matrice, par exemple polymère ou céramique, pour former un nanocomposite. La pièce finale peut mesurer plusieurs centimètres : la présence de constituants nanométriques ne signifie pas qu’elle a elle-même été imprimée à cette échelle.
Le développement de résines chargées illustre cette approche. Mechnano travaille notamment sur la fonctionnalisation et la dispersion de nanotubes de carbone ; Tethon3D figure parmi ses partenaires de formulation. Les propriétés recherchées peuvent concerner le comportement électrique, thermique ou mécanique. Elles dépendent de la formulation et des essais réalisés, et ne progressent pas nécessairement toutes à la fois.
Des matériaux composites peuvent être conçus pour l’extrusion de filament, le frittage laser ou la photopolymérisation, sous réserve de leur compatibilité avec chaque procédé. La dispersion des charges, leur agglomération, la viscosité et la réponse à la lumière ou à la chaleur influencent la fabrication. Ajouter une charge ne rend donc pas automatiquement un matériau imprimable et ne résout pas à lui seul les limites de l’offre de matières premières.
Évaluer les risques pour les personnes et l’environnement
La sécurité doit accompagner le développement des matériaux. Comme le rappelle le NIOSH, les effets et les expositions doivent être évalués pour les nanomatériaux concernés. La composition, la forme, la dose et les voies d’exposition comptent. La seule petite taille ne suffit pas à conclure qu’un matériau est sans danger ou, à l’inverse, qu’il présente le même risque qu’un autre.
La préparation des matières, l’impression, les opérations de finition et la fin de vie peuvent créer des situations d’exposition différentes. Une charge intégrée dans une pièce et une poudre libre ne se manipulent pas dans les mêmes conditions. Les évaluations, les mesures de prévention et les exigences applicables doivent être définies pour l’activité considérée, sans extrapoler la sécurité d’un produit de consommation à tous les nanomatériaux.
Des perspectives biomédicales et électroniques
Le biomédical et l’électronique offrent des pistes pour exploiter les propriétés des nanocomposites. Une formulation peut viser une conductivité particulière, une réponse mécanique ou une interaction avec un environnement biologique. Le choix dépend du besoin fonctionnel ; une amélioration mesurée en laboratoire doit encore être vérifiée dans la pièce et dans ses conditions d’utilisation.
Des travaux sur les ciments à base de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) étudient notamment l’ajout d’hydroxyapatite ou de nanotubes de carbone pour modifier leur comportement mécanique. Ce sont des pistes de recherche sur les matériaux. Elles ne démontrent pas, à elles seules, une amélioration clinique de la fixation des articulations ni la validation d’un ciment imprimé en 3D pour cet usage.
Les résines photopolymères, les thermoplastiques et les matériaux métalliques présentent chacun des contraintes de formulation et de mise en œuvre. Pour la fusion sur lit de poudre ou le dépôt sous énergie concentrée, les effets du cycle thermique doivent notamment être étudiés. Il serait prématuré de classer ces familles selon une facilité universelle d’adoption des nanotechnologies.
Le rapprochement des deux domaines reste prometteur pour ajuster les propriétés et réaliser des géométries nouvelles. Son intérêt industriel dépendra de résultats reproductibles, de la qualification des pièces, de la maîtrise des risques et du coût de la chaîne complète. Il ne garantit ni des surfaces parfaites ni des performances identiques dans toutes les applications.
À propos des auteurs
Ce dossier a été coécrit par Andrew Miller et Kety Sindze de 3D ADEPT Media. Ingénieur mécanicien de formation, Andrew Miller présentait alors son projet de consacrer sa carrière à la fabrication additive et aux nanotechnologies. Coauteur de deux publications sur des échangeurs de chaleur métalliques fabriqués par voie additive, il indiquait avoir travaillé sur la mécanique de la rupture de composants de moteurs de fusée comme ingénieur aérospatial chez Blue Origin.
Dans sa présentation de 2023, il expliquait que cet intérêt l’avait conduit à approfondir la science des matériaux au sein du programme d’études supérieures Johns Hopkins Engineering for Professionals. Il citait les enseignements du professeur John Slotwinski, présenté dans cette contribution comme président du comité exécutif ASTM sur les technologies de fabrication additive, et son souhait de développer de nouvelles applications associant ces deux domaines.
Première publication : numéro de juillet/août 2023 de 3D ADEPT Mag.
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