Dossier issu du numéro de mai/juin 2022 de 3D ADEPT Mag, puis publié en ligne en septembre 2022. Les fonctions, offres et performances présentées par les intervenants correspondent à cette période.
La miniaturisation des dispositifs électroniques, biomédicaux, automobiles et aérospatiaux stimule l’intérêt pour la microfabrication additive. À côté des grandes pièces qui attirent souvent l’attention, ce dossier explore les procédés capables de réaliser de petits composants ou des détails micrométriques.
La microfabrication additive, ou micro-impression 3D, fait partie d’un ensemble plus large de méthodes de microfabrication. « Fabrication additive » et « impression 3D » ne distinguent pas automatiquement production industrielle et prototypage. De même, « haute précision » n’est pas une spécification suffisante sans tolérances, méthode de mesure et dimensions de référence.
« La microfabrication 3D est un terme général qui décrit toutes les méthodes. La majeure partie de ce monde proviendrait de la fabrication en salle blanche, comme les méthodes de lithographie qui sont très courantes et largement utilisées dans la fabrication des ‘MEMS’ (il s’agit d’un énorme marché bien établi et les méthodes sont très matures). Il existe un tas d’autres méthodes de microfabrication 3D, par exemple les méthodes utilisées pour la microfluidique, les méthodes numériques basées, par exemple, sur la lithographie par faisceau d’électrons, et bien d’autres encore. La FA de haute précision n’est probablement pas bien définie et quelqu’un qui a une résolution de 100 microns la commercialiserait comme de la haute précision, donc cela dépend beaucoup du contexte », déclare d’emblée Jon Donner, le directeur général de Fabrica, une société de Nano Dimension.
Un voxel est un élément de volume dans une représentation numérique ; selon le procédé, il peut aussi servir à décrire une zone de matière solidifiée. Sa dimension ne suffit pas à définir la précision d’une pièce. La micro-FA vise des détails fins et des géométries parfois difficiles à produire autrement, sans rendre obsolètes la micro-injection, la lithographie ou l’usinage.
Le présent dossier exclusif a pour ambition d’examiner les différentes façons dont la micro-fabrication additive remet en question le statu quo de la fabrication traditionnelle. Il fera la lumière sur :
- Les principes fondamentaux et les différents types de technologie de micro-fabrication additive.
- Les principaux avantages et les points à améliorer qui peuvent aider ce marché à progresser.
- La place de ces procédés dans les industries verticales, et dans les industries médicales et de santé en particulier.
Principes fondamentaux et différents types de technologie de micro-fabrication additive
Un micromètre, aussi appelé micron, vaut 0,001 millimètre ou 1 000 nanomètres. Il faut distinguer la taille totale de la pièce, la taille minimale des détails, l’épaisseur de couche, l’exactitude dimensionnelle et la répétabilité. Ces grandeurs dépendent du procédé, du matériau et de la mesure.
Des couches de 5 µm ou des détails de 2 µm sont des exemples de capacités, pas un seuil universel définissant la micro-FA. Certains procédés produisent des détails submicrométriques sur des objets plus grands : détail nanométrique ne signifie donc pas pièce entière de taille nanométrique.
« C’est difficile à dire, mais en général, nous considérons que 10 microns et moins sont des facteurs pris en compte en micro-fabrication additive. Plus précisément, on peut parler de la taille des pixels, de la hauteur des couches, de la tolérance ou de la répétabilité. Il est certain que si tous ces éléments se situent dans une fourchette de 1 à 3 microns ; il s’agit donc de micro-fabrication additive», explique Donner.
Les publications recensent différentes approches : dépôt de filament fondu (FFD), écriture directe à l’encre (DIW), dépôt sous énergie dirigée (DED), traitement numérique de la lumière (DLP), fabrication par laminage (LOM), impression redox électrohydrodynamique (EHDP), fusion sur lit de poudre (PBF), photopolymérisation (P3DP) et dépôt chimique en phase vapeur assisté par laser (LCVD). Cette liste rassemble des familles et des démonstrateurs de maturités différentes ; leurs variantes industrielles ne possèdent pas toutes une résolution micrométrique.
Le tableau ci-dessous présente un résumé des procédés de micro-impression 3D en termes de matériau, de procédé, de vitesse de fabrication et de résolution.
La photopolymérisation occupe une place importante parmi les solutions présentées dans ce dossier. La résolution, le débit et la répétabilité varient avec la configuration. Les plages du tableau rassemblent des études différentes : on ne peut pas en déduire qu’un procédé DED industriel est globalement plus précis qu’un procédé à résine. Coût, débit et matériau doivent être comparés pour une même application.
« La polymérisation à deux photons permet d’obtenir des caractéristiques de très petite taille, de l’ordre du submicromètre. Cela dépasse les capacités des technologies d’impression 3D conventionnelles. Par exemple, le procédé de filament fondu (FDM) ou le frittage sélectif par laser (SLS) sont généralement limités dans leur résolution verticale et latérale. La taille des éléments obtenus est de l’ordre de plusieurs centaines de micromètres. Les technologies de réticulation de la résine, telles que la stéréolithographie (SLA) et le traitement numérique de la lumière (DLP), atteignent une précision légèrement supérieure à celle des technologies de FA susmentionnées (de l’ordre de 5 à 10 micromètres).
Cependant, elles sont encore limitées dans la réalisation de petites pièces ou structures de haute précision en raison de leur résolution limitée. Contrairement à ces méthodes, la technologie 2PP permet de fabriquer des éléments de taille minimale, jusqu’à 100 nanomètres. La vitesse d’impression des procédés d’impression 3D à base de 2PP est au moins concurrentielle avec la stéréolithographie par projection de lumière numérique (DLP). Une métrique générale pour la vitesse d’impression se réfère au taux en voxels imprimés par seconde et est un indicateur de la façon dont l’information numérique est convertie en matériau solidifié » ajoute Jörg Smolenski, Business Development Manager chez Nanoscribe.
Les valeurs citées par Nanoscribe décrivent ses comparaisons et systèmes de l’époque. Elles ne constituent pas une mesure commune à toutes les machines. Une taille minimale de détail, une tolérance et un débit en voxels par seconde ne sont pas des indicateurs interchangeables.
La revue de Lin, Chen et Chen publiée en 2020 analyse plusieurs méthodes optiques de micro-FA. La longueur d’onde, l’ouverture numérique, le seuil de réaction du matériau et la stratégie d’exposition contribuent au résultat. La polymérisation à deux photons exploite une interaction non linéaire ; elle ne se résume pas à employer des ultraviolets de plus courte longueur d’onde.
Le contrôle de l’exposition et les étapes de développement ou de post-polymérisation influencent la forme finale et les propriétés. Le caractère optique d’un procédé ne garantit pas, à lui seul, une meilleure cohésion ou une meilleure répétabilité que toutes les autres méthodes.
Cela dit, les procédés de micro-impression 3D les plus connus sont la DLP, la microstéréolithographie (µSLA), la microstéréolithographie par projection (PµSL), la polymérisation à deux photons (2PP ou TPP), la fabrication de métaux par lithographie (LMM), le dépôt électrochimique et le frittage laser sélectif à micro-échelle (μSLS).
Traitement numérique de la lumière (DLP)
La DLP projette un motif lumineux pour polymériser une surface de résine. Dans une configuration SLA à balayage laser, le faisceau parcourt la couche. La taille du pixel projeté, l’optique, la résine et l’exposition déterminent les détails obtenus ; l’optique adaptative n’est pas une condition générale de toute machine DLP.
Microstereolithographie (µSLA)
La microstéréolithographie adapte la photopolymérisation à la fabrication de petites structures. L’exposition de la résine, la calibration optique, le positionnement et le développement doivent être maîtrisés. La connaissance d’une imprimante à résine ne dispense pas d’une formation au système et aux matériaux utilisés.
Microstereolithographie par projection (PµSL)
La microstéréolithographie par projection utilise des motifs lumineux pour fabriquer des couches de microstructures. Les performances annoncées dépendent de l’optique, de la formulation et de la géométrie ; elles ne doivent pas être confondues avec les dimensions totales imprimables. Les formulations chargées en céramique nécessitent aussi les traitements adaptés, notamment déliantage et frittage selon le matériau.
Fabrication de métaux par lithographie
La fabrication de métaux par lithographie (LMM), évoquée dans notre entretien avec MetShape, utilise une poudre métallique dispersée dans un liant photosensible. C’est la phase polymère qui durcit sous la lumière, et non le métal qui polymérise. Les pièces crues passent ensuite par le déliantage et le frittage ; le retrait doit être pris en compte dans la conception.
Polymérisation à deux photons (2PP ou TPP)
La polymérisation à deux photons utilise un laser pulsé femtoseconde focalisé dans une résine adaptée. Elle peut produire des détails submicrométriques selon les conditions d’exposition et le matériau. Jörg Smolenski, de Nanoscribe, explique le procédé dans cet entretien de 2022 :
« La technologie 2PP est au croisement de la lithographie sans masque et la fabrication additive de haute précision. Ce procédé appartient à une famille de technologies de fabrication additive, dans laquelle la lumière est utilisée pour polymériser une photo-résine liquide afin de créer une structure définie numériquement. La combinaison de la technologie 2PP avec un flux de travail d’impression 3D robuste permet de multiples scénarios de fabrication. La technologie 2PP est une approche d’écriture directe au laser qui permet d’éviter la création coûteuse de masques et le recours à de multiples étapes lithographiques pour les microstructures 3D et 2,5D.
La technologie 2PP fait progresser la micro-fabrication de pièces sur des substrats plats au niveau des plaquettes, mais permet également d’imprimer directement des structures complexes sur des motifs et des topographies préexistantes, par exemple sur des fibres optiques, des puces photoniques et à l’intérieur de canaux micro-fluidiques étanches. La technologie 2PP nécessite des matériaux d’impression polymères et des photo-résines dédiées pour une manipulation aisée et une précision optimale de la résolution et de la forme, ainsi que pour une adaptation aux différentes applications.
Cela permet de bénéficier de caractéristiques submicroniques, d’éléments en surplomb, de surfaces de qualité optique, d’une fabrication à grande vitesse à l’échelle méso, d’une biocompatibilité ou d’un indice de réfraction élevé. L’impression 3D de haute précision basée sur la polymérisation à deux photons est idéale pour le prototypage rapide de conceptions d’applications afin de réaliser des dispositifs biomédicaux, des micro-optiques, des systèmes micro-électromécaniques (MEMS), des dispositifs micro-fluidiques, du packaging photonique (par ex. PIC), des projets d’ingénierie de surface et bien d’autres encore. Les capacités de manipulation des plaquettes rendent le traitement par lots et la production en petites séries de micro-pièces 3D plus faciles que jamais. »
Dépôt électrochimique
Dans le dépôt électrochimique décrit ici, une pointe appelée iontip délivre une solution contenant des ions métalliques au sein d’un bain électrolytique. Une réaction électrochimique les réduit en métal solide à l’endroit souhaité. Cette voie ne nécessite pas de déliantage ou de frittage pour consolider le métal, mais les opérations de rinçage, de manipulation et de contrôle restent propres à l’application.
Frittage sélectif laser à micro-échelle (μSLS)
Le frittage sélectif laser à micro-échelle (µSLS) présenté ici emploie une encre de nanoparticules métalliques déposée puis séchée. Un motif laser, défini à l’aide de micromiroirs, fritte les zones choisies ; le cycle est répété. Cette approche de recherche ne doit pas être assimilée sans distinction au dépôt de poudre d’une machine SLS industrielle.
Quels sont donc les facteurs décisifs à prendre en compte pour choisir une technologie plutôt qu’une autre ?
Le marché observé pour ce dossier de 2022 rassemble des approches de maturités diverses. Le nombre de fournisseurs ne suffit pas à juger un procédé : disponibilité industrielle, qualification du matériau, maintenance et capacité à produire la géométrie recherchée comptent également.
Néanmoins, certains des éléments clés susceptibles de faire pencher la balance en faveur d’une technologie peuvent être les matériaux (évidemment), la robustesse, la vitesse, la qualité et la taille.
« Tout d’abord, les matériaux que permet chaque technologie sont des facteurs clés dans tout choix. Le deuxième facteur est la robustesse et la précision du système, et plus particulièrement la vitesse et les tolérances que vous pouvez atteindre. Un autre facteur essentiel est la taille que vous pouvez imprimer dans le volume de fabrication. Enfin, le débit et la répétabilité sont des points de décision essentiels », commente Jon Donner.
Il va sans dire que chaque procédé ne peut offrir les mêmes avantages ni avoir les mêmes limites. Parfois, le choix de l’utilisateur se basera sur les avantages recherchés pour une application donnée ou les limites à éviter pour une autre.
Par exemple, « la polymérisation à deux photons est une nouvelle technologie connue dans le contexte industriel principalement pour sa qualité et sa grande précision. Semblable à la DLP, elle utilise la lumière pour réticuler une résine photosensible afin de fabriquer des structures à l’échelle nanométrique, micro et mésométrique, mais elle ne le fait que dans un très petit volume, nettement inférieur à 1 micromètre de diamètre. On dit que le procédé 2PP est lent lorsqu’il s’agit de structures à micro- et méso-échelle.
Cela a changé récemment avec l’avancée de nouvelles technologies de traitement telles que la lithographie en échelle de gris à deux photons (2GL ®) et la combinaison de lasers de plus grande puissance qui sont arrivés sur le marché et de matériels améliorés tels que les platines et les scanners. D’autres technologies de FA conventionnelles telles que la DLP, la SLA et la micro-stéréolithographie par projection (PµSL) ne peuvent fabriquer que des structures plus grandes avec des détails moins filigranes de l’ordre de plusieurs micromètres.
Ces technologies sont clairement adaptées à certaines tâches de micro-fabrication. Cependant, elles rencontrent des limites géométriques lorsqu’il s’agit de micro-fabrication 3D à haute résolution (<1 micromètre). La résolution et la géométrie de conception sont limitées en raison de l’illumination directe inhérente avec la lumière UV. Le procédé 2PP offre la liberté d’une conception 3D complète pour fabriquer des géométries 3D de forme libre, poreuse et même organique avec une excellente précision de forme dans la gamme submicrométrique à millimétrique. Les limitations géométriques inhérentes aux méthodes soustractives sont surmontées avec le procédé 2PP grâce à l’approche additive», déclare Smolenski, en réfléchissant aux avantages et aux limites de certaines des technologies susmentionnées.
D’une manière générale, voici les principaux avantages et les points à améliorer que nous garderons à l’esprit lorsque nous explorerons les technologies de microimpression 3D :
| Bénéfice à évaluer | Limite ou point de vigilance |
|---|---|
| Coût : comparer outillage, préparation, fabrication et finition au volume réellement envisagé. La micro-FA n’est pas systématiquement moins chère que la micro-injection. | Matériaux : comme dans les technologies traditionnelles de FA, les matériaux restent un obstacle qui nécessite des progrès constants. « Au fur et à mesure que de nouveaux matériaux sont développés, que les rendements augmentent, nous verrons de nombreux nouveaux domaines où la micro-FA sera appliquée », commente Donner. |
| Conception : accès à certaines géométries complexes, dans les limites du matériau, du procédé et du post-traitement. | « Un défi dans les domaines de l’intégration photonique, de l’informatique optique et des communications de données consiste à faire progresser l’alignement et le conditionnement des composants photoniques. Des solutions d’impression spécialisées, basées sur du matériel et des logiciels, peuvent à leur tour permettre un couplage micro-optique efficace. C’est pourquoi nous avons récemment introduit et continuerons à développer l’impression 3D à alignement précis sur les fibres optiques et les puces photoniques », ajoute Smolenski. |
| Délai : l’absence d’outillage peut accélérer une itération ; le temps total comprend aussi préparation, nettoyage et contrôles. | Le temps : la micro-impression 3D est un produit relativement nouveau sur le marché et, comme pour toute nouvelle technologie, il faut du temps pour convaincre les entreprises de l’utiliser. |
La place de ces procédés dans les industries verticales, et en particulier dans le secteur médical et de la santé
L’électronique, l’optique, les microfluides et les dispositifs médicaux figurent parmi les domaines cités par les intervenants. Le choix dépend des dimensions utiles, du matériau, du volume de production et des exigences de qualification.
À ce jour, « toutes les industries qui traitent des pièces de petite taille et de précision sont concernées. La fabrication traditionnelle de petites pièces a toujours été coûteuse, et la micro-impression 3D propose désormais des solutions beaucoup moins chères et accessibles. En matière de miniaturisation, le contrôle du facteur de forme est essentiel et permet d’atteindre un “niveau supérieur” de miniaturisation. Plus précisément : l’électronique, l’optique, les semi-conducteurs, les dispositifs médicaux, l’outillage médical, le moulage par micro-injection, la micro-fluidique, les capteurs, et puis ces applications se retrouvent bien sûr dans l’automobile, l’aérospatiale, les biens de consommation, etc. » souligne l’expert de Fabrica.
Pour Fabrica, la recherche sur les dispositifs médicaux représente un domaine prometteur. L’observation suivante de Donner porte sur les applications médicales discutées lors de l’entretien de 2022 ; elle ne signifie pas que toute la micro-FA serait limitée au prototypage.
« Comme la micro-fabrication additive est un domaine “nouveau”, elle n’est actuellement utilisée que pour le prototypage. Mais nous voyons de nombreuses opportunités. Quelques exemples sont les micro-aiguilles, les pièces pour les petits vaisseaux sanguins comme l’outillage pour les caillots sanguins, l’outillage pour l’ophtalmologie, et bien d’autres encore. Nous voyons également de nombreux dispositifs médicaux miniaturisés », note Donner.
Nanoscribe va plus loin et met en avant le fait qu’elle présentait en 2022 le 2PP accessible à la bio-impression 3D de haute précision : « La bio-impression 3D de haute précision permet de créer des microenvironnements avancés pour l’ingénierie tissulaire, des échafaudages personnalisés pour l’étude des cellules et de nombreuses autres applications biomédicales innovantes où la précision, la vitesse, la diversité des matériaux et la stérilité sont importantes. Dans les applications de culture ou d’ensemencement cellulaire, les microstructures sont d’abord imprimées à l’aide d’un matériau tel que les hydrogels ou l’une des photo-résines IP biocompatibles de Nanoscribe.
Après l’impression, les structures sont rincées et les cellules sont ensemencées sur les structures. Généralement, les substrats sont conservés dans des incubateurs afin de surveiller le comportement des cellules au fil du temps. L’ensemencement cellulaire est la technique la plus courante pour combiner la micro-fabrication 2PP avec la recherche cellulaire. En outre, la bio-imprimante de haute précision Quantum X bio couvre les applications biomédicales telles que les éléments micro-fluidiques personnalisés, les réseaux de micro-aiguilles ou les micro-robots pour l’administration de médicaments. En reliant le monde micro au monde macro, les structures 3D peuvent être placées intuitivement et avec la plus grande précision dans des canaux ou des puits micro-fluidiques par simple pression sur l’écran tactile de la machine. »
Ces applications relèvent notamment de la recherche et du développement. L’emploi d’un matériau présenté comme biocompatible ne vaut pas autorisation clinique d’un dispositif : son usage final et son procédé complet doivent être évalués.
À Boston University, une étude publiée en 2021 combine écriture directe au laser et lithographie souple pour fabriquer une plateforme de cœur sur puce. Des sites imprimés permettent l’ancrage de microtissus cardiaques ; un dispositif microfluidique les sollicite mécaniquement et mesure leur réponse. Il s’agit d’un outil de recherche sur les tissus, et non d’un cœur implantable ou d’un traitement clinique démontré.
Conclusions
La micro-FA élargit les options de conception de petites structures. La 2PP, la PµSL et la DLP occupent une place importante dans les exemples de ce dossier de 2022. Le choix d’un procédé doit toutefois reposer sur des pièces d’essai, des mesures comparables et le coût de la chaîne complète. Les collaborations entre fournisseurs, laboratoires et utilisateurs peuvent aider à qualifier les applications.
Ressources
Ce dossier exclusif a été rédigé grâce à plusieurs ressources externes et aux principales contributions des acteurs du secteur. Des entretiens exclusifs ont été menés avec Fabrica, une société de Nano Dimension, ainsi qu’avec Nanoscribe.
Dans sa présentation de 2022, Nano Dimension décrit Fabrica 2.0 comme une solution DLP pour les petites pièces, avec des couches annoncées de 1 à 5 µm. Les matériaux cités sont Precision N-800, de type ABS, et Performance N-900, composite renforcé. Épaisseur de couche et tolérance finale ne sont pas équivalentes ; délais et performances dépendent de la pièce.
Dans sa contribution de 2022, Nanoscribe présente Quantum X align pour imprimer des micro-optiques alignées sur des fibres et des puces photoniques. L’entreprise décrit également sa lithographie en niveaux de gris à deux photons (2GL) pour réaliser des structures 2,5D : micro-optiques libres, réseaux de microlentilles et éléments diffractifs. Elle annonce notamment des états de surface Ra ≤ 5 nm dans les conditions concernées. Ce chiffre décrit une rugosité, pas une précision dimensionnelle universelle.
Pour augmenter les volumes, Nanoscribe évoque des essais associant la fabrication de masters par 2GL à la lithographie par nanoimpression et au moulage par injection, avec EV Group et kdg opticomp. La réplication constitue alors une étape distincte de la fabrication additive du master.
Projection micro stereolithography based 3D printing and its applications, IOP Publishing Ltd – Au nom du IMMT.
Bert Huis in ‘t Veld, Micro additive manufacturing using ultra short laser pulses
Wei Lin, Dihan Chen et Shih-Chi Chen, Emerging micro-additive manufacturing technologies enabled by novel optical methods, Photonics Research, 8, 1827–1842, 2020.
V. Hahn et al., Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks (Voxels) into Large Functional 3D Metamaterials, Advanced Functional Materials, 30, 1907795, 2020.
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