Sous l’effet de la lumière, l’anthracène et ses dérivés — composés chimiques utilisés notamment dans la production de colorants et la préservation du bois — subissent un processus appelé photodimérisation. Ce processus rompt les liaisons chimiques et les reforme en structures 3D réticulées qui, chauffées, peuvent retrouver leur forme initiale. Cette illustration conceptuelle représente comment, sous irradiation, les constituants d’un lapin en résine imprimé en 3D se décomposent en structures 2D individuelles, recyclables et utilisables pour l’impression 3D d’objets neufs. Crédit : Université nationale de Yokohama
Autrefois réservée à l’imagination débordante des auteurs de science-fiction, l’impression 3D est désormais devenue accessible à tous. Des machines relativement peu coûteuses permettent aux particuliers de concevoir et d’imprimer toutes sortes d’objets, des jeux de société aux accessoires de bureau, en passant par les pièces détachées pour appareils électroménagers.
Le problème du recyclage des résines
L’un des principaux arguments de vente est la possibilité de recycler une pièce imprimée en créant un nouvel objet, offrant ainsi une voie potentielle vers un mode de vie plus durable. Cependant, l’impression 3D de la plus haute qualité, utilisée pour créer des structures extrêmement précises à l’échelle atomique (une méthode appelée stéréolithographie), repose sur un procédé de photopolymérisation de la résine par exposition aux rayons ultraviolets (UV). Ce procédé modifie chimiquement la résine de manière irréversible, la rendant impossible à recycler.
Jusqu’à présent, du moins. Une équipe de chercheurs de l’Université nationale de Yokohama a mis au point une nouvelle résine recyclable qui pourrait permettre une impression 3D haute résolution et durable. Leurs travaux ont été publiés dans la revue ACS Omega .
Exploiter la chimie réversible de l’anthracène
« Les modèles 3D photopolymérisables ne sont pas recyclables, ce qui soulève des inquiétudes quant à l’impact environnemental négatif de la mise au rebut des pièces en résine imprimées en 3D », explique Shoji Maruo, professeur à la faculté d’ingénierie de l’université nationale de Yokohama et co-auteur de l’étude. « La recherche sur les résines photopolymérisables réutilisables progresse, mais les résines conventionnelles forment des réseaux réticulés irréversibles. Par conséquent, les résines « recyclables » proposées jusqu’à présent nécessitent soit l’ajout d’additifs chimiques pour être réutilisées, soit se dégradent rapidement après un ou quelques cycles de réutilisation. »
Les chercheurs ont entrepris d’étudier si une propriété unique de l’anthracène et de ses dérivés, un matériau utilisé pour produire des colorants et des plastiques ainsi que pour préserver le bois, pouvait offrir une solution. Sous l’effet de la lumière, l’anthracène subit un processus appelé photodimérisation. Ce processus forme des liaisons chimiques en structures 3D réticulées qui, lorsqu’elles sont chauffées, peuvent retrouver leur forme 2D initiale.
« Nous avons découvert que la réaction de photodimérisation réversible de l’anthracène pourrait être une méthode pratique pour développer une résine véritablement réutilisable, sans initiateurs ni produits chimiques utilisés pour induire une réaction, capable de maintenir ses performances au cours de multiples cycles de recyclage tout en prenant en charge la stéréolithographie de haute précision », a déclaré Maruo.
Tests de la nouvelle résine dans les imprimantes
L’équipe a utilisé un composé chimique initialement développé comme adhésif réversible pour produire une résine contenant le groupe chimique anthracène. Elle a ensuite conçu deux systèmes sur mesure pour polymériser cette nouvelle résine : la microstéréolithographie monophotonique, qui utilise un seul photon pour polymériser la résine couche par couche avec précision ; et la lithographie biphotonique, qui induit l’absorption simultanée de deux photons par la résine. Pour tester le système de lithographie biphotonique, l’équipe a imprimé en 3D un modèle en forme de papillon et évalué la précision d’impression à différentes vitesses. Les résultats ont montré que leur résine se comportait de manière similaire à d’autres résines.
« Ces résultats démontrent que la résine recyclable peut être structurée avec précision en formes arbitraires à l’aide d’un balayage laser, confirmant ainsi son aptitude à la lithographie à deux photons », a déclaré Masaru Mukai, co-auteur principal et co-premier auteur, professeur adjoint spécialement nommé à la Faculté d’ingénierie de l’Université nationale de Yokohama, actuellement à l’Université des sciences de Tokyo.
Chimie sans initiateur et recyclabilité
Leur résine subit une polymérisation par étapes , ce qui signifie que la résine durcit sans agent additif tel qu’un initiateur, au lieu de réactions de croissance en chaîne, où la réaction d’initiation par exposition à la lumière en initie une autre, et ainsi de suite.
« Les résines recyclables décrites jusqu’à présent nécessitaient des photo-initiateurs, mais la résine étudiée ici polymérise par étapes sans avoir besoin d’initiateurs », explique Maruo. « Cette caractéristique unique simplifie la formulation de la résine, élimine la contamination par les additifs et permet une recyclabilité quasi complète. Nous avons démontré que la résine pouvait être recyclée au moins 10 fois grâce à la lithographie à deux photons. »
Ils ont imprimé en 3D l’une des trois lettres de « YNU », l’acronyme de l’Université nationale de Yokohama, puis l’ont « effacée » en chauffant et en imprimant la lettre suivante à dix reprises. L’équipe a également imprimé un cube, l’a chauffé à 150 degrés pendant 15 minutes, puis a imprimé un disque à partir du cube fondu. Ils ont comparé la dégradation du matériau lors du retraitement et ont constaté que cette dégradation était relativement mineure, même par rapport aux études précédentes sur les résines de stéréolithographie réutilisables.
Perspectives d’expansion et de recherche futures
« La photodimérisation réversible de l’anthracène offre une voie pratique vers des matériaux recyclables pour l’impression 3D photochimique », a déclaré Mukai. « Grâce à un mécanisme de croissance par étapes sans initiateur, nous démontrons qu’une résine photopolymérisable peut être recyclée plusieurs fois avec des modifications relativement faibles de ses performances, tout en restant compatible avec la stéréolithographie à deux photons et à un photon. Nos résultats indiquent que la réutilisabilité et la fabrication de haute précision peuvent être combinées plus efficacement qu’avec les résines recyclables décrites jusqu’à présent. »
Les chercheurs ont ensuite indiqué qu’ils prévoyaient d’adapter la résine à un système d’impression 3D à plus grande échelle et d’améliorer la réponse thermique et la stabilité à long terme du matériau.
Parmi les autres contributeurs figurent la co-première auteure Wakana Miyadai, Seina Matsubara et Tomomi Aoki, toutes affiliées à l’École supérieure des sciences de l’ingénierie de l’Université nationale de Yokohama.
https://techxplore.com/news/2026-05-recyclable-resin-enables-high-precision.html
