Impression 3D volumétrique : De la recherche à la commercialisation

Il existe tellement de technologies de fabrication additive qui promettent beaucoup et offrent peu que parfois, il est difficile de percevoir leur rôle effectif dans la fabrication. Cependant, une technologie relativement nouvelle appelée impression 3D volumétrique gagne de plus en plus de l’ampleur pour une raison : non seulement elle intrigue par un procédé qui est bien différent des procédés bien établis couche par couche, mais elle promet beaucoup plus : la possibilité d’imprimer un objet entier en une seule fois et en quelques secondes. Ne serait-ce pas là un rêve devenu réalité ?

Pour nous faciliter la tâche, nous utilisons le terme « impression 3D volumétrique ». Notez que cette nouvelle technologie a plus d’un nom fantaisiste : impression 3D tomographique, xolographie (nommée ainsi par XOLO), fabrication additive volumétrique – pour ceux qui voudraient souligner la perspective industrielle de la technologie – ou même « système et méthode pour un dispositif d’affichage optique à commutateur tridimensionnel (OSD) ». Ce dernier est une invention de la Southern Methodist University de Dallas, qui a obtenu un brevet de l’Office américain des brevets pour ce système.

Cependant, une société qui commercialise une technologie holographique a souvent appelé l’impression volumétrique « Hologramme 2.0« . L’impression 3D volumétrique n’est cependant pas produite de la même manière que les hologrammes, en ce sens qu’il n’y a pas de motif d’interférence généré ou utilisé dans l’impression volumétrique de base.

Quoi qu’il en soit, cela fait déjà cinq ans que l’impression volumétrique 3D est en phase de recherche, mais le processus a gagné en crédibilité l’année dernière lorsque certains experts du domaine ont annoncé la commercialisation de leur technologie.

Tout d’abord, découvrons ce qu’est l’impression 3D volumétrique

L’impression 3D volumétrique (abréviation V3DP tirée de l’anglais Volumetric 3D Printing) est assez complexe à définir. Dans ce procédé, un motif est projeté dans une cuve de photopolymère liquide transparent de manière répétée sous tous les angles. Cette technologie à base de résine est souvent comparée à l’impression SLA. Toutefois, ce qui la rend unique est le fait que, plutôt que de durcir la résine en projetant une image 2D de la couche actuelle dans le récipient, la V3DP utilise plusieurs lasers pour créer des points d’intersection dans le liquide. De plus, alors que les imprimantes 3D à base de résine ne peuvent pas résister à l’oxygène, ce dernier peut être utilisé comme additif dans le procédé V3DP car l’opérateur doit ralentir la solidification, les motifs lumineux devant traverser la résine librement sur une certaine distance.

Parmi les scientifiques qui ont réfléchi sur le sujet, trois groupes sont assez intéressants à suivre :

1- Brett E. Kelly, Indrasen Bhattacharya, Hossein Heidari, Maxim Shusteff, Christopher M. Spadaccini, Hayden K. Taylor, des chercheurs de l’Université de Berkeley ont présenté la technologie qu’ils ont développée par reconstruction tomographique. Leur rapport se lit comme suit :

« Nous avons développé une méthode, la lithographie axiale calculée (CAL = computed axial lithography), qui nous a permis de synthétiser des géométries arbitraires de manière volumétrique par photopolymérisation. L’approche CAL présente plusieurs avantages par rapport aux méthodes d’impression conventionnelles basées sur les couches. Notre méthode peut être utilisée pour contourner les structures de support, car elle peut imprimer dans des fluides à haute viscosité ou même dans des solides. L’impression 3D de structures autour de composants solides préexistants est également possible grâce à notre approche. CAL est extensible à des volumes d’impression plus importants et est plusieurs ordres de grandeur plus rapide, dans une plus large gamme de conditions, que les méthodes couche par couche ».

2- Les chercheurs de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne et fondateurs de Readily3D, Damien Loterie, Paul Delrot, et Christophe Moser. Ils expliquent comment le projet a débuté :

« Au cours de nos études de doctorat, nous avons discuté à de multiples reprises de nouveaux concepts de photopolymérisation qui impliquaient la mise en forme de faisceaux lumineux en 3D pour créer l’objet souhaité. Notre projet a vraiment pris son envol lorsqu’en 2017, nous avons décidé de tester expérimentalement si nous pouvions fabriquer un objet en 3D en éclairant une résine photosensible sous plusieurs angles, ce qui était la base de l’impression tomographique. Ces premières expériences ont été étonnamment réussies, et nous avons réalisé que nous étions sur la bonne voie ».

La technique de Readily3D est également basée sur les principes de la tomographie. Leur procédé fonctionne en envoyant un laser à travers un gel translucide – soit un gel biologique, soit un plastique liquide.

3- Et xolo. Fondée en janvier 2019, la majorité de l’équipe a travaillé sur la xolographie tout au long de l’année 2019. L’équipe a expliqué :

« La technologie de xolographie peut très bien être décrite comme un processus dans lequel une zone d’impression plane se déplace continuellement – et à grande vitesse – à travers un réservoir de photopolymère plutôt que le photopolymère se déplaçant lentement d’un réservoir à la zone d’impression – comme vue dans une imprimante SLA/DLP conventionnelle ».

Malgré le caractère unique de chacune de ces approches d’impression 3D volumétrique, nous pourrions être tentés de penser que cette approche n’est plus de l’impression 3D car elle ne répond pas au principe couche par couche. La vérité est que, bien que nous ne voyions pas fonctionner le fameux « axe Z », dans ces approches, le processus fonctionne simultanément en trois dimensions en même temps.

« La plupart des technologies d’impression 3D reposent sur un procédé additif couche par couche. L’impression volumétrique, en revanche, repose sur une cuve remplie de photopolymère dans laquelle chaque voxel (analogue 3D d’un pixel) peut être adressé de manière sélective pour le faire passer de l’état liquide (non durci) à l’état de matériau dur (durci) souhaité », explique l’équipe de xolo.

En outre, au niveau des matériaux, la résine visqueuse peut permettre l’intégration de beaucoup plus d’additifs que ce que les imprimantes 3D courantes à base de résine pourraient contenir, ce qui ouvre davantage de possibilités pour le développement de nouveaux matériaux.

Dans cet ordre d’idées, le processus qui est assez similaire à l’impression 3D SLA/DLP (et où il n’y a pas de couches) peut être considéré comme une nouvelle génération de technologies de fabrication additive car les pièces se solidifient instantanément en trois dimensions.

S’attaquer à un problème urgent dans le domaine de la fabrication

L’avantage le plus significatif du V3DP est la rapidité. Jusqu’à présent, les technologies de FA permettent de livrer une pièce entière en quelques jours ou quelques heures selon la technologie utilisée. Le V3DP promet la vitesse d’impression la plus rapide jamais vue dans l’industrie de la FA, car il peut imprimer un objet entier en quelques secondes ou minutes.

« L’aspect le plus spectaculaire de notre technologie est la vitesse : comme le volume entier est solidifié en même temps et non couche par couche, les objets peuvent être imprimés en quelques dizaines de secondes seulement. C’est une révolution car aucune autre méthode ne peut rivaliser avec elle à une échelle et une résolution similaires », l’équipe de Readily3D explique. 

Xolo ne pourrait pas être plus d’accord avec Readily3D, la technologie V3DP est la base d’une vitesse et d’une liberté de conception sans précédent « car les pièces imprimées n’ont plus besoin d’être attachées à une plateforme ». 

Et il y a aussi d’autres avantages :

« L’impression directement dans le volume de résine permet également de résoudre les problèmes supplémentaires des systèmes traditionnels de FA. Par exemple, nous n’avons pas besoin de supports temporaires pour imprimer des structures creuses ou des surplombs, car l’objet est maintenu en place par la résine pendant le temps d’impression relativement court. L’absence de contact mécanique entre l’imprimante et la résine signifie également que nous pouvons imprimer à l’intérieur de conteneurs scellés et stériles. Enfin, nous sommes en mesure d’imprimer des matériaux souples et déformables, ce qui est généralement difficile, voire impossible, à réaliser sur des systèmes de FA basés sur des opérations de dépôt ou de rechargement ».

« L’impression 3D volumétrique ne remettra en question l’état de la technique que lorsque les clients ne seront pas satisfaits des solutions existantes. Pensez aux applications sensibles au temps ou à l’enlèvement manuel des structures de support, à l’effet d’escalier, etc. Avec le lancement du xube, nous espérons inspirer les esprits créatifs pour des applications qui n’étaient pas réalisables auparavant. Nous voulons permettre la réalisation de produits qui étaient inimaginables auparavant », nous a expliqué l’équipe de xolo.

Les technologies d’impression 3D volumétrique et leurs spécifications

Le buzz autour du procédé V3DP est peut-être difficile à ignorer, mais la réalité montre que la liste des entreprises qui passent du laboratoire aux marchés est encore très courte.

Dans le domaine de la recherche, outre les chercheurs de l’université de Berkeley mentionnés ci-dessus, un groupe de chercheurs de l’université du Michigan s’est penché sur la question.  Toujours dans le domaine de la recherche, Siemens Energy a déposé en 2018 un brevet pour « Systems And Methods Of Volumetric 3D Printing » qui décrit un procédé similaire à celui développé par T3DP, une start-up californienne qui développe une technologie d’impression 3D.  Cette dernière repose sur une résine comprenant une « molécule de commutation moléculaire optique, dans laquelle la molécule de commutation moléculaire optique a un état non fluorescent et un état fluorescent, dans laquelle, à une longueur d’onde d’excitation optique, la molécule a un premier état, et à un second état, la molécule de commutation moléculaire optique est fluorescente à une seconde longueur d’onde d’excitation ».

De plus, pour des raisons qui sont actuellement inconnues, nous avons découvert que Disney détient également un brevet pour « l’impression quasi instantanée d’objets à l’aide d’un liquide photodurcissant. » Apparemment, il s’agirait d’une forme d’impression 3D volumétrique.

Pour l’instant, les entreprises qui font du procédé V3DP une réalité sur le terrain en commercialisant leur technologie sont xolo et Readily3D.

L’imprimante 3D volumétrique xube

xube

La startup allemande xolo a dévoilé sa nouvelle imprimante 3D en fin 2020. Baptisée xube, elle est basée sur une technologie que xolo a baptisée Xolographie (évidemment !). L’imprimante 3D xube est capable de fabriquer de petites pièces en 20 secondes environ et de grandes pièces en 5 minutes.

« Le xube est spécialement conçu pour les chercheurs curieux : Bien que des protocoles standard soient disponibles pour l’impression d’acryliques, il est ouvert à l’individualisation, tous les paramètres d’impression peuvent être choisis librement et tout matériau fabriqué soi-même peut être utilisé. Le client charge l’imprimante avec une cuve en photopolymère dont les dimensions [ascendantes] vont de >50 mm à 10 mm, ainsi que les coordonnées spatiales. En quelques secondes à quelques minutes environ (selon la taille de l’impression), l’objet est solidifié avec une grande précision sur la base d’un fichier d’entrée STL standard », a déclaré xolo à 3D ADEPT Media.

Selon l’entreprise, une fois que la pièce imprimée – ou « l’objet solidifié » selon les termes de xolo – est retirée de la cuve, « la résine résiduelle est éliminée par lavage et, selon le matériau utilisé, les propriétés finales du matériau peuvent être obtenues par traitement photographique ou thermique ».

xolo met actuellement sa technologie à la disposition des organismes de recherche.

L’imprimante Tomolite de Readily3D

Le produit phare de Readily3D s’appelle Tomolite. Avec une unité compacte de 30cm x 40cm x 60cm et un volume de construction de 10mm de diamètre et 27,5mm de hauteur, l’imprimante marqué CE peut trouver sa place sur n’importe quel banc ou banc de laboratoire.

Décrit comme ultra rapide et convivial par ses inventeurs, l’appareil ne peut pas imprimer « un objet à l’échelle du centimètre, en matériaux souples et durs, en quelques dizaines de secondes avec une résolution optique de 40 um ».

Contrairement à l’imprimante 3D xube qui peut nécessiter une étape de traitement photo/thermique supplémentaire, Readily3D affirme qu’aucun post-traitement n’est nécessaire au-delà du lavage.

En parlant du processus d’impression, la société explique : « la résine est d’abord versée dans un flacon cylindrique, qui est ensuite chargé à la main dans l’imprimante. Le fichier STL de l’objet à imprimer est généré par un programme de CAO. L’imprimante est livrée avec le logiciel Apparite, qui permet le chargement et la manipulation des fichiers STL, ainsi que la configuration des paramètres de dose et le contrôle de l’impression »

Pour donner un exemple d’application, les fondateurs ajoutent : « notre imprimante peut façonner des biorésines photosensibles en constructions vivantes complexes comportant des vascularisations, des pores et des cavités, ce qui ne peut être fait avec aucune autre imprimante du marché avec la même vitesse et la même résolution ».

L’imprimante 3D peut être achetée par les entreprises et les institutions publiques. En fait, certaines unités sont déjà installées dans plusieurs centres de recherche en Europe.

Principales applications de l’impression 3D volumétrique

Notre échange avec les experts révèle que les principales applications de l’impression 3D volumétrique se trouvent dans les domaines de l’optique, de la dentisterie, de l’audiologie, de la bio-ingénierie, de la microfluidique et du prototypage.

En bref, des secteurs d’activité qui nécessiteront des méthodes rapides et évolutives pour créer des constructions 3D chargées de cellules à l’échelle centimétrique.

Actuellement, Readily3D pense que le marché est déjà prêt pour les applications en dentisterie et en audiologie, car ces secteurs décentralisent de plus en plus la fabrication en personnalisant directement les produits dans les magasins ou dans le cabinet du praticien. 

Même si elle n’en est qu’à ses débuts, la promesse de l’impression 3D volumétrique est évidente. La commercialisation et les applications possibles partagées par Readily3D et xolo montrent que la technologie est prête à être mise en œuvre.

Ce dossier a initialement été publié dans le numéro de Janvier/Février de 3D ADEPT Mag.