Des chercheurs de l'université Rice redéfinissent les possibilités de construction grâce à l'impression 3D de composants électroniques par micro-ondes focalisées.
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Un nouveau procédé intègre des fonctionnalités électroniques à une large gamme d'architectures multi-matériaux, créant ainsi de nouvelles classes de dispositifs électroniques hybrides auparavant impossibles à mettre en œuvre.
Dans un article récemment publié dans Science Advances , une équipe dirigée par Yong Lin Kong de l'Université Rice décrit un nouveau procédé d'impression 3D utilisant des micro-ondes focalisées qui surmonte une contrainte fondamentale de l'impression 3D électronique qui a limité le potentiel du domaine pendant plus d'une décennie : l'incapacité à chauffer l'encre imprimée — une étape de traitement cruciale — sans endommager les matériaux sous-jacents.
La capacité à intégrer des matériaux fonctionnels et à programmer spatialement leurs propriétés détermine à la fois les performances des dispositifs et les limites de leur fabrication. Les méthodes de fabrication actuelles sont fondamentalement limitées à cet égard. Les composants électroniques, par exemple, sont fabriqués dans d'immenses fonderies centralisées, souvent indépendamment du dispositif final. Leur intégration requiert un assemblage complexe et laborieux qui contraint la forme et la fonction du produit final.
Le professeur Yong Lin Kong (premier rang) avec ses co-auteurs Xin Yang, Jian Teng et Yu Liu (dernier rang, de gauche à droite).
L'impression 3D multi-matériaux devrait, en principe, permettre la fabrication d'architectures de formes libres où les propriétés électroniques et mécaniques sont directement intégrées à la structure. Cependant, le traitement thermique nécessaire pour rendre fonctionnelles les encres électroniques imprimées détruit les matériaux mêmes dont ces dispositifs ont besoin.
L'équipe de Kong démontre qu'en concentrant l'énergie des micro-ondes dans une zone de chauffage confinée aussi petite que le diamètre d'un cheveu humain, les chercheurs peuvent chauffer sélectivement l'encre électronique pendant le processus d'impression 3D tout en maintenant le matériau environnant relativement froid et en réduisant ainsi les dommages potentiels.
« La possibilité de chauffer sélectivement les matériaux imprimés nous permet de programmer spatialement les propriétés fonctionnelles de l'encre, même lorsqu'elle est entourée de matériaux thermosensibles », explique Kong, professeur adjoint de génie mécanique à l' École d'ingénierie et d'informatique George R. Brown de l'Université Rice . « Cela nous permet d'intégrer des composants électroniques de forme libre sur une large gamme de substrats, y compris des biopolymères et des tissus biologiques vivants, le tout dans une imprimante de bureau, sans nécessiter d'installations complexes ni de procédés manuels fastidieux. »
Depuis ses travaux de doctorat, Kong développe des procédés d'impression 3D de composants électroniques, et plusieurs inventions novatrices aux applications prometteuses ont vu le jour. Cependant, pendant plus d'une décennie, l'impossibilité de chauffer sélectivement les encres d'impression a limité cette technologie à un nombre restreint de matériaux, restreignant ainsi la fonctionnalité et les performances des dispositifs imprimés.
Depuis la création de son groupe de recherche, Kong étudie des stratégies pour surmonter ce défi persistant. En collaboration avec John Ho, expert en ingénierie micro-ondes et professeur associé à l'Université nationale de Singapour, ils ont conçu le « Meta-NFS » (structure électromagnétique de champ proche inspirée des métamatériaux), un dispositif qui confine l'énergie micro-ondes dans le champ proche afin d'atteindre la densité d'énergie suffisamment élevée pour le post-traitement des encres imprimées.
L'intégration du contrôle du chauffage par micro-ondes focalisées à un procédé d'impression 3D par micro-extrusion offre une possibilité inédite : la programmation spatiale et continue des propriétés fonctionnelles, même au sein d'un seul processus d'impression. En ajustant les paramètres des micro-ondes, par exemple, les chercheurs peuvent moduler précisément le degré de chauffage afin de contrôler la microstructure des particules imprimées. Ceci permet la création de circuits multifonctionnels présentant des différences considérables de propriétés mécaniques et électroniques, en une seule impression et sans changement de matériau.
Photographies montrant l'impression d'une microarchitecture d'argent autoportante avec un diamètre de trace de 30 μm sur (A) une feuille, démontrant la capacité d'imprimer sur un substrat thermosensible et (B) sur du silicone, démontrant la capacité d'obtenir des caractéristiques à haute résolution.
Ils ont également démontré que cette approche s'applique à une vaste gamme de matériaux fonctionnels, des métaux et céramiques aux polymères thermodurcissables, prouvant ainsi que l'impression par micro-ondes en champ proche permet de traiter et de programmer in situ diverses classes de matériaux. De plus, la sélectivité des micro-ondes permet à l'énergie de pénétrer profondément pour chauffer les matériaux cibles, même lorsqu'ils sont entièrement encapsulés.
Ensemble, ces attributs uniques permettent de fabriquer de manière transparente des dispositifs multi-matériaux à partir d'une large palette de matériaux dans un processus de fabrication continu, le tout sur une plateforme de la taille d'un bureau — un contraste frappant avec les approches conventionnelles qui nécessitent un équipement complexe, un traitement intensif en main-d'œuvre et un assemblage manuel.
Il est désormais possible d'imprimer directement des composants électroniques fonctionnels sur des biopolymères thermosensibles et des structures biologiques, une prouesse auparavant difficile à réaliser. À titre de preuve de concept, les chercheurs ont imprimé des capteurs de contrainte sans fil sur du polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire, un biopolymère couramment utilisé dans les prothèses articulaires. Ils ont ainsi créé des implants dotés d'électronique qui pourraient potentiellement surveiller les contraintes ou l'usure sans en altérer la structure. Ils ont également imprimé des capteurs sans fil directement sur un fémur bovin et sur une feuille vivante, ouvrant de nouvelles perspectives pour la compréhension et le contrôle des processus biologiques.
L'impression 3D Meta-NFS est désormais un pilier fondamental du travail de l'équipe de Kong, qui développe des dispositifs électroniques fondamentalement nouveaux pour un large éventail d'applications inédites. L'équipe travaille notamment sur des systèmes électroniques ingérables pour le diagnostic et le traitement personnalisés, conçoit des dispositifs bioniques interagissant avec les organes biologiques et crée des robots souples et des drones imprimés en 3D de nouvelle génération, dotés de fonctionnalités électroniques hautement intégrées.
« L’impression 3D Meta-NFS nous permet de développer de nouvelles classes d’appareils électroniques hybrides qui n’auraient pas pu être construits — ni même imaginés — avec les approches de fabrication précédentes, nous offrant ainsi une nouvelle capacité à répondre aux besoins sociétaux non satisfaits », a déclaré Kong.