Cela fait quelques années que l'impression 3D volumétrique gagne du terrain, mais nous avons décidé de nous pencher plus sérieusement sur cette technologie depuis que certaines organisations ont commencé à commercialiser leur procédé. La raison de ce choix nous a semblé évidente ; comme nous l'expliquons dans ce dossier exclusif consacré à l'impression 3D volumétrique (de la recherche à la commercialisation), il existe de nombreuses technologies de fabrication additive qui promettent beaucoup et délivrent peu.
Cela dit, un procédé récemment mis au point intrigue et ambitionne de fabriquer un solide amorphe non cristallin, souvent transparent, que l'on trouve de plus en plus dans des applications spécialisées telles que la fibre optique, l'électronique grand public et la microfluidique pour les dispositifs "laboratoire sur puce" : le verre.
Jusqu'à présent, les autres approches de la fabrication du verre se sont avérées coûteuses et lentes (comme c'est le cas des techniques traditionnelles de fabrication du verre) ; ou donnent souvent des résultats aux textures rugueuses, ce qui les rend inadaptés aux lentilles lisses (comme c'est le cas de l'impression 3D).
Afin d'apporter une meilleure solution à ces obstacles et, surtout, dans le but de produire des optiques délicates, sans couche, pouvant être construites en quelques secondes ou minutes, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory et de l'université de Californie à Berkeley ont mis au point une nouvelle approche de fabrication additive volumétrique (VAM) basée sur le laser – qui pourrait imprimer en 3D des objets microscopiques dans du verre de silice.
Surnommée "le réplicateur", d'après l'appareil fictif de "Star Trek" qui peut fabriquer instantanément presque n'importe quel objet, la technologie de lithographie axiale calculée (en anglais CAL, Computed Axial Lithography) de cette équipe de recherche est inspirée des méthodes d'imagerie par tomographie assistée par ordinateur (CT).
Au cas où vous ne le sauriez pas, la CAL fonctionne en calculant des projections sous de nombreux angles à travers un modèle numérique d'un objet cible, en optimisant ces projections par calcul, puis en les diffusant dans un volume rotatif de résine photosensible à l'aide d'un projecteur de lumière numérique. Au fil du temps, les motifs lumineux projetés reconstituent, ou construisent, une distribution de dose de lumière en 3D dans le matériau, durcissant l'objet aux points dépassant un seuil de lumière pendant que la cuve de résine tourne. L'objet entièrement formé se matérialise en quelques secondes seulement – bien plus rapidement que les techniques traditionnelles d'impression 3D couche par couche – puis la cuve est vidée pour récupérer la pièce.
En combinant une nouvelle technique VAM à l'échelle microscopique appelée micro-CAL, qui utilise un laser au lieu d'une source LED, avec une résine de verre nanocomposite, on peut obtenir la production d'objets en verre robustes et à microstructure complexe avec une rugosité de surface de seulement six nanomètres et des caractéristiques allant jusqu'à un minimum de 50 microns.
L'équipe a comparé la résistance à la rupture du verre microstructuré CAL à des objets de même taille fabriqués par un procédé d'impression par couches plus conventionnel. Elle a constaté que les charges de rupture des structures imprimées en CAL étaient plus étroitement regroupées, ce qui signifie que les chercheurs peuvent avoir davantage confiance dans la charge de rupture d'un composant imprimé en CAL par rapport aux techniques conventionnelles, peut-on lire dans un rapport de presse.
"Vous pouvez imaginer essayer de créer ces petites micro-optiques et ces microarchitectures complexes en utilisant des techniques de fabrication standard ; c'est vraiment impossible", a déclaré Caitlyn Krikorian Cook, co-auteur du projet LLNL. "Et le fait de pouvoir l'imprimer prêt à l'emploi sans avoir à recourir à des techniques de polissage permet de gagner un temps considérable. Si vous pouvez éliminer les étapes de polissage après avoir formé l'optique – avec une faible rugosité – vous pouvez imprimer une pièce prête à l'emploi."
Les applications du monde réel pourraient inclure les micro-optiques dans les caméras de haute qualité, l'électronique grand public, l'imagerie biomédicale, les capteurs chimiques, les casques de réalité virtuelle, les microscopes avancés et la microfluidique avec des géométries 3D difficiles telles que les applications de "laboratoire sur puce", où des canaux microscopiques sont nécessaires pour les diagnostics médicaux, les études scientifiques fondamentales, la fabrication de nanomatériaux et le dépistage des médicaments. De plus, les propriétés bénignes du verre se prêtent bien aux biomatériaux, ou en cas de résistance à des températures élevées ou à des produits chimiques, a ajouté Cook.
"Le problème de l'impression du verre est que plus la pièce est grande, plus les contraintes de rétrécissement sont importantes lorsqu'on passe de l'état vert à la combustion du liant entre les particules de silice pour obtenir une pièce brune, puis à la fusion des particules pour obtenir une pièce en verre totalement dense. Les problèmes de fissuration apparaissent généralement dans les tirages plus importants en raison de ces contraintes de retrait", a déclaré Cook. "Nos équipes au LLNL développent des formulations personnalisées pour produire des optiques et des pièces en verre imprimées de plus grande taille qui ne se fissureront pas pendant les processus de déliaison et de frittage."
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