Bien que l’impression 3D SLA (stéréolithographie) produise des résultats esthétiques très satisfaisants, la résine gaspillée lors du processus ne peut être recyclée.
Que vous construisiez des maisons grâce à votre entreprise d’impression 3D, créiez des décors pour jeux de rôle et des armes de cosplay avec votre atelier de modélisme, ou fournissiez une aide humanitaire en construisant des infrastructures dans des régions reculées, voire sur d’autres planètes, vous ne pouvez pas vous permettre de gaspiller votre matériau d’impression. Sur Terre, cela aurait des conséquences financières et écologiques désastreuses, mais dans l’espace, sur la Lune ou sur Mars, épuiser vos ressources d’impression pourrait s’avérer catastrophique.
Mais malgré toute la planification d’un modéliste, les erreurs humaines et mécaniques lors de la conception ou de l’impression entraînent toujours un gaspillage de PLA , de résine, de béton, de nourriture ou d’autres matériaux. Alors, pourquoi ne pas recycler les impressions incomplètes ou défectueuses ?
Parce que parfois, on ne peut tout simplement pas.
Jusqu’à récemment, la stéréolithographie était la meilleure technique d’impression 3D disponible. Son procédé, permettant d’imprimer des structures haute résolution à l’échelle atomique, nécessitait le durcissement de la résine par des rayons ultraviolets (UV). Or, exposer de la résine aux UV revient à exposer un œuf cru à une poêle chaude : il est impossible de rendre à nouveau liquide et transparent un blanc d’œuf solidifié.
Mais grâce à une percée réalisée à l’Université nationale de Yokohama au Japon – et publiée dans ACS Omega – il est désormais possible de réaliser une opération inverse à celle d’Humpty Dumpty avec un support d’impression 3D, inaugurant une nouvelle ère d’impression de résine durable, micro-détaillée et recyclable.
« Les résines conventionnelles forment des réseaux réticulés irréversibles », explique Shoji Maruo, professeur à la faculté d’ingénierie de Yokohama et co-auteur de l’étude. « 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. »
La clé de la percée de Yokohama réside dans un composant du goudron de houille, l’anthracène (C14H10), un hydrocarbure aromatique polycyclique solide constitué de trois cycles benzéniques fusionnés. Utilisé dans la fabrication de plastiques et de colorants, l’anthracène et ses dérivés peuvent préserver le bois et, grâce à leur réaction à la lumière, former des liaisons chimiques tridimensionnelles réticulées par un processus appelé photodimérisation. Cependant, lorsqu’ils sont chauffés, ces composés peuvent reprendre leur forme aplatie initiale.
« La réaction de photodimérisation réversible de l’anthracène pourrait être une méthode pratique pour développer une résine véritablement réutilisable, sans initiateurs [produits chimiques qui induisent des réactions], capable de maintenir ses performances au cours de multiples cycles de recyclage tout en prenant en charge la stéréolithographie de haute précision », déclare Maruo.
L’équipe de Maruo a synthétisé une résine d’anthracène à l’aide d’un adhésif réversible et a mis au point deux méthodes de polymérisation : la microstéréolithographie monophotonique couche par couche et la lithographie biphotonique, qui permet à la résine d’absorber simultanément deux photons. Ils ont évalué la précision de l’impression 3D de modèles de papillons à différentes vitesses et ont constaté que leur méthode était aussi performante que les méthodes traditionnelles.
Selon Masaru Mukai, co-premier auteur, professeur assistant spécialement nommé à la faculté d’ingénierie de Yokohama et actuellement à l’université des sciences de Tokyo, « la résine recyclable peut être structurée avec précision en formes arbitraires à l’aide d’un balayage laser, confirmant ainsi son adéquation à la lithographie à deux photons ».
Dans la méthode de polymérisation par étapes de Yokohama, la résine durcie ne nécessite aucun initiateur, ce qui signifie que, comme l’explique Mukai, « la photodimérisation réversible de l’anthracène offre une voie pratique vers des matériaux recyclables pour l’impression 3D à base de lumière ».
Cette illustration montre comment, sous l’effet des radiations, les composants d’un lapin en résine imprimé en 3D se décomposent en structures 2D individuelles qui peuvent être recyclées en matière première pour imprimer de nouveaux objets en 3D.
Université nationale de Yokohama
Le mécanisme de croissance par étapes sans initiateur mis au point par l’équipe de Yokohama prouve 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 ». Selon Mukai, il en résulte que « la réutilisation et la fabrication de haute précision peuvent être combinées plus efficacement qu’avec les résines recyclables décrites précédemment ».
D’après Maruo, cette recyclabilité est multigénérationnelle . « Les résines recyclables décrites jusqu’à présent nécessitaient des photo-initiateurs, mais la résine étudiée ici durcit par polymérisation par étapes, sans initiateur », explique-t-il. « Cette caractéristique unique simplifie la formulation de la résine, élimine la contamination par les additifs et permet une recyclabilité quasi totale. »
La preuve était là : dix cycles d’impression d’une lettre, de fusion, puis d’impression d’une autre lettre, et ainsi de suite, de même qu’un cube (fusion et impression d’un disque). La dégradation du matériau était négligeable, même comparée aux études précédentes sur les résines de stéréolithographie réutilisables. Pour l’équipe de Yokohama, la prochaine étape consistera à adapter la résine à l’impression 3D à grande échelle et à améliorer sa résistance à la chaleur et sa durabilité. En cas de succès, ils auront considérablement rapproché les colonies potentielles sur la Lune et Mars de la réalité.
