La solidification par la lumière ou photopolymérisation

La photo-polymérisation de résine (notamment acrylate, époxy ou ABS) est la polymérisation des molécules de résine par la lumière. Des molécules monomères, de petites molécules capables de réagir avec d’autres molécules identiques, se réunissent et forment une chaîne de molécules identiques appelée polymère. L'association de ces molécules forme un matériau polymère insoluble, et la résine liquide est ainsi solidifiée par une lumière UV.

L’impression 3D par photopolymérisation

La Stéréolitographie ou SLA (StereoLithograph Apparatus), première technique d’impression 3D

La stéréolitographie est le premier procédé utilisé par l’impression 3D. Elle a été créée par Charles Hull et a été brevetée en 1984. La première machine utilisant cette technique a été fabriquée par 3D Systems en 1986 et est sortie en 1988. Elle est équipée d’un rayon ultra-violet permettant de solidifier couche par couche des photopolymères liquides.Le logiciel analyse tout d’abord le fichier CAO et le découpe en fines tranches de 5 à 10 mm d’épaisseur. Puis une plaque de construction immergée dans un réservoir contenant plusieurs litres de polymères liquides s'abaisse au fur et à mesure que la matière est exposée à la lumière et solidifiée par les rayons UV, suivant les indications envoyées par l’ordinateur à l’imprimante. Le laser à rayons UV est dirigé grâce à la réflection d’un miroir, et des attaches sont également formées pour empêcher les parties fragiles de céder.

Cette méthode d'impression par polymérisation permet de créer des objets de toutes tailles, formes (même complexes), et cela avec une grande précision. On obtient ainsi un objet de très bonne qualité. La stéréolitographie est surtout utilisée par de grands groupes industriels pour le prototypage, et dans tous les domaines de l’industrie pour sa rapidité. Cependant, de nombreuses améliorations permettent maintenant de réaliser en 6 minutes 30 un objet qui nécessitait 11 heures 30 avec la stéréolitographie. De plus, cette technique est l’une des plus coûteuses par ses matériaux et la complexité du dispositif. Une étape de finition est obligatoire et nécessite par exemple un système de ventilation pour éviter les fumées toxiques qui s’échappent des polymères et solvants. En effet, l’objet formé par l’imprimante est ensuite plongé dans un solvant et dans un four ultra-violet pour le nettoyer et dissoudre les attaches tout en augmentant sa résistance. Le passage au four peut très légèrement déformer l’objet. Cette technique offre également un choix limité de matériaux et empêche l’impression en couleur car les polymères liquides ont un rendu semi-transparent. Ajoutée aux autres inconvénients du processus, la fragilité des objets imprimés par stéréolitographie a entraîné de nombreuses améliorations de la technique et d’autres processus dérivés utilisant également la photopolymérisation.

La Polyjet, une stéréolitographie améliorée

La Polyjet a été brevetée en 1999 par la société israelo-américaine Objet Ltd. Elle utilise non seulement la photo-polymérisation mais également la technologie Inkjet (jet d’encre), utilisée traditionnellement par les imprimantes 2D. L’imprimante est composée de plusieurs têtes d’impression contenant elles-même un certain nombre d’embouts qui envoient des micro-gouttelettes de matière sur une plateforme. Cette matière est ensuite solidifiée par une lumière ultra-violette. La polyjet permet d’obtenir une surface lisse qui ne nécessite pas de finitions : son support est un gel soluble à l’eau, inutile donc de passer la pièce imprimée au four ultra-violet. Elle présente également une large gamme de couleurs et de matières, voire plusieurs en même temps grâce aux différentes têtes d’impression, d’où son nom “polyjet”. L’utilisateur peut même créer ses propres matériaux composites, appelés Digital Materials, en combinant des matériaux souples et rigides, opaques et transparents par exemple. Il peut donc prévoir les points de cassage, la résistance à l’étirement de son objet et choisir les matériaux en conséquence. La polyjet est ainsi utilisée dans des domaines aussi divers que la médecine, l’architecture, l’aérospatial, l’industrie du jouet ou les arts créatifs.

La DLP ou Digital Light Processing, une très haute qualité de précision

Ce procédé a été développé par le Dr Larry Hornbeck en 1987. Il a été utilisé pour la première fois en 2002 par la société EnvisionTEC, spécialisée dans le prototypage rapide, qui voulait s’en servir dans les domaines de la dentisterie, de la bijouterie et des aides auditives. La lumière, venant d’une minuscule puce, balaie rapidement la surface du réservoir de matière pour permettre la polymérisation. Cette puce contient environ deux millions de miroirs microscopiques (de la taille d’un cinquième d’un cheveu humain) qui assurent un rendu extrêmement précis.

Continuous Liquid Interface ou CLIP, une vitesse d’impression inégalée

Le principal inconvénient des imprimantes 3D est la faible vitesse d’impression. C’est pourquoi Carbon3D a décidé d’améliorer la technique en la rendant 25 à 100 fois plus rapide dans les années 2010. Si cette technique utilise également la photopolymérisation, elle se distingue grandement de la SLA. Les pièces sont imprimées d’un bloc et non couche par couche. Les rayons UV sont directement projetés dans un réservoir de résine et l’objet est retiré au fur et à mesure de l’impression. La lentille de projection envoie également de l’oxygène, qui bloque la solidification aux endroits exposés d’une dizaine de microns. C’est ce qu’on appelle les zones mortes. Une fenêtre perméable à la lumière et l’oxygène permet ainsi de gérer les flux et contrôler la solidification.

Two-Photon Polymerization ou 2PP, première impression microscopique

En 2014, une nouvelle amélioration est apparue sur le marché de l’impression 3D : l’impression à l’échelle du nanomètre ou 2PP (Two-Photon Polymerization). L’OWL Nano, l’imprimante de référence de cette technique, a une résolution de 100 nanomètres, soit 0,1 microns, contre une épaisseur de couche de 100 microns pour la Replicator 2, l’imprimante la plus vendue domestiquement, et la vitesse d’impression est très rapide. Un laser à lumière pulsée émet à environ 800 nm, mais la polymérisation n’intervient qu’aux endroits les plus exposés. Une voiture de course de 100 couches de résine (environ 200 microns) a été réalisée par des chercheurs de l’université de Vienne en 4 minutes, et n’est visible qu’au microscope.

#Polymérisation