Une nouvelle technique d’impression 3D volumétrique plus rapide et plus précise

impression 3D deux lumières
Une figurine de bateau réalisée avec le nouveau procédé d'impression 3D. | Daniel Congreve/Université de Stanford
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Des techniques innovantes d’impression 3D où intervient la stéréolithographie voient progressivement le jour. Ces technologies consistent notamment à utiliser une source de lumière (un laser ou un projecteur) pour photopolymériser de la résine liquide et la transformer en plastique durci. Cependant, la technique restait jusqu’ici relativement limitée, car la lumière est absorbée de façon linéaire, ce qui limite fortement le choix des résines utilisables ainsi que les types d’objets imprimables. Des ingénieurs de l’Université de Stanford et de Harvard ont alors mis au point une nouvelle technologie d’impression 3D par stéréolithographie dans laquelle les faisceaux de lumière utilisés sont de deux couleurs distinctes : rouge et bleu. Ce système permet aussi une impression volumétrique au lieu de couches successives (contrairement aux techniques standard d’impression 3D) tous types d’objets, mais de façon détaillée, selon n’importe quel angle, et ce sans nécessiter de support spécifique.

Applicable à de nombreux domaines, l’impression 3D fait partie des technologies qui ont révolutionné et marqué ce siècle. Au cours de cette dernière décennie, ce secteur en plein essor connaît en effet des avancées exceptionnelles. Cependant, la plupart des technologies actuelles d’impression 3D se basent sur des modèles de construction par couches successives, limitant significativement les types et formes d’objets pouvant être imprimés.

Une nouvelle technologie d’impression, décrite dans la revue Nature, permet d’imprimer des objets 3D détaillés directement dans un volume stationnaire de résine. L’objet imprimé est entièrement supporté par de la résine épaisse (formant une sorte de bloc gélatineux au centre duquel flotte l’objet), afin de permettre une construction via n’importe quel angle. Cette technique permettrait de standardiser le mode d’impression, en supprimant le besoin de supports spécifiques pour les objets à géométries complexes.

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En effet, un grand nombre d’objets, surtout ceux aux formes les plus complexes, sont très difficiles à imprimer couche par couche. Les objets géométriquement complexes nécessitent également des structures de support très spécifiques, surtout dans les procédés nécessitant des dépôts de matière fondue. De plus, si une ou plusieurs parties de l’objet dépassent un certain angle d’inclinaison, un support pour combler le vide et éviter qu’il ne s’effondre lors de sa conception est nécessaire.

Ainsi, « l’impression volumétrique permet d’obtenir des objets auparavant très difficiles à construire », explique dans un communiqué Daniel Congreve, professeur adjoint de génie électrique à Stanford et auteur principal de la nouvelle étude. De plus, cette méthode plus directe consommerait également moins de matière tout en étant plus rapide.

Une impression 3D biphotonique

Lors d’une impression 3D classique par stéréolithographie, l’on concentre un faisceau laser à travers une lentille pour cibler une masse gélatineuse, qui durcit au contact de la lumière bleue. Toutefois, avec cette méthode, la résine se solidifie trop rapidement, et ce sur toute la longueur du faisceau laser, rendant impossible la conception précise de l’objet voulu s’il faut l’imprimer en volume et non en feuillets.

Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a utilisé une lumière rouge ainsi que des nanocapsules de molécules dispersées dans la résine. En ciblant ces molécules, la lumière rouge devient bleue précisément sur les points où le laser se focalise. Il suffit alors de guider le laser à travers le bloc gélatineux. Grâce à cette technique, des objets très détaillés ont pu être produits sans nécessiter de support spécifique.

Pour la conversion des photons, les chercheurs se sont basés sur une technique baptisée « Triplet Fusion Upconversion ». Grâce à des molécules spécifiques placées à proximité les unes des autres, la technologie déclenche une chaîne de transfert d’énergie permettant de convertir la lumière rouge à basse consommation en lumière bleue à haute énergie.

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Les molécules de conversion utilisées dans la nouvelle technique d’impression 3D ont ensuite été encapsulées dans des nanocoques de protection en silice, 1000 fois plus petites que le diamètre d’un cheveu. D’après les auteurs de l’étude, il était nécessaire de rendre ces capsules ultrarésistantes, sans quoi le processus de conversion des photons aurait été impossible (les collisions moléculaires étant impossibles si les capsules se brisent). Par ailleurs, il suffit de modifier le contenu des capsules pour contrôler la puissance de la lumière rouge afin de l’adapter à l’impression de différents types d’objets.

impression 3D deux lumières
Le contenu des nanocapsules contrôle la puissance de la lumière rouge nécessaire et permet différents types d’impression volumétrique. Deux types d’impression sont illustrés ici : numérisation et traçage d’une image à l’aide d’un laser haute puissance (à gauche) et projection d’une image en une seule fois à l’aide d’une LED à faible puissance (à droite). © Daniel Congreve/Tracy H. Schloemer/Arynn O. Gallegos

Perspectives d’utilisation de la conversion de la lumière

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La technique innovante de conversion de la lumière décrite dans la nouvelle étude pourrait être appliquée à de nombreux domaines, en l’intégrant par exemple aux panneaux photovoltaïques. Ces derniers seraient plus efficaces en convertissant par exemple de la lumière inutilisable à basse énergie en lumière de plus haute énergie, avant que les panneaux photovoltaïques l’exploitent.

La technologie pourrait aussi être appliquée à la biologie, afin d’étudier par exemple des modèles biologiques réagissant à certaines longueurs d’onde, ou encore pour livrer des molécules thérapeutiques de façon ciblée. « L’on pourrait pénétrer dans des tissus avec la lumière infrarouge, puis transformer cette lumière en une autre à haute énergie par exemple, pour entraîner une réaction chimique », explique Congreve.

Mais pour l’instant, les chercheurs travaillent sur les moyens d’améliorer leur technique d’impression 3D, en explorant la possibilité d’imprimer plusieurs points en même temps. Ce qui accélèrerait encore plus le temps d’impression tout en obtenant des objets mieux définis et à des échelles plus petites.

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Source : Nature

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