Une nouvelle impression 3D combine vitesse, précision et une large gamme de matériaux

DIAL permet d'imprimer des structures délicates, flexibles et imbriquées, comme cette cotte de mailles semblable à un napperon. Crédit : Ryan Truby/Université Northwestern

Des ingénieurs de l'Université Northwestern ont mis au point une nouvelle méthode d'impression 3D qui combine toutes ces fonctionnalités. L'étude a été publiée dans la revue Science Advances .

Depuis des décennies, les utilisateurs d'imprimantes 3D sont confrontés à un choix difficile : imprimer rapidement, imprimer des pièces aux détails précis ou utiliser des matériaux répondant aux exigences de performance. Les imprimantes 3D à base de lumière sont rapides et précises, mais limitées dans le choix des matériaux. Les techniques d'extrusion permettent d'utiliser une plus large gamme de matériaux fonctionnels, mais au détriment de la vitesse et de la finesse des détails.

Appelée lithographie additive à encre directe (DIAL: direct ink additive lithography), cette nouvelle méthode combine la rapidité et la précision de l'impression 3D par la lumière avec la large compatibilité des encres de l'impression par extrusion. Au lieu de déposer lentement la matière ligne par ligne, la DIAL étale des encres épaisses et pâteuses en fines feuilles. Ensuite, un faisceau lumineux ciblé solidifie sélectivement l'encre pour former des motifs précis.

En répétant ce processus couche par couche, DIAL construit rapidement des objets 3D complexes, finement détaillés et autoportants, sans avoir besoin d'échafaudages co-imprimés généralement nécessaires pour supporter les éléments en surplomb.

DIAL peut également imprimer avec des encres épaisses chargées de particules, même celles qui diffusent la lumière, ce que les imprimantes optiques classiques peinent à gérer. Cette capacité ouvre de nouvelles perspectives pour l'impression de matériaux aux propriétés très diverses.

Images d'un réseau multimatériaux imprimé par DIAL. Crédit : Ryan Truby/Université Northwestern

« La technologie DIAL permet de produire des pièces qui étaient difficiles, voire impossibles à fabriquer avec d'autres méthodes d'impression 3D », a déclaré Ryan Truby de Northwestern, auteur principal de l'étude.

« De l’aérospatiale à la robotique en passant par la médecine, les technologies du futur exigeront des matériaux aux structures inédites. Pour y parvenir, il est essentiel de repenser fondamentalement la manière dont nous transformons les matériaux fonctionnels en formes utiles. Cette nouvelle méthode d’impression ouvre un champ de conception entièrement nouveau, nous offrant la liberté de créer des matériaux et des architectures jusqu’alors inaccessibles. »

Ryan Truby est professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux et de génie mécanique, et professeur junior June et Donald Brewer à l'école d'ingénierie McCormick de Northwestern, où il dirige le Robotic Matter Lab.

Pranav Kaarthik, doctorant en génie mécanique et membre du Robotic Matter Lab, est le premier auteur de l'article. Michael Bayer, EunBi Oh et Alexander Kane, de l'université Northwestern, ont également contribué à ces travaux.

Lors de tests comparatifs, DIAL a imprimé des structures poreuses en forme de grille plus de quatre fois plus rapidement que l'impression par extrusion classique. Les structures obtenues présentaient également des détails plus nets et moins de défauts. DIAL a aussi imprimé des treillis délicats que l'impression par extrusion classique ne pouvait reproduire et qu'une imprimante 3D de bureau ne pouvait réaliser qu'avec des supports supplémentaires.

Pour démontrer davantage la large compatibilité de DIAL avec les matériaux, l'équipe a imprimé des structures complexes à l'aide de deux encres fonctionnelles : des électrolytes structuraux développés pour les batteries et des hydrogels inspirés des dispositifs de laboratoire pour la culture de cellules et l'ingénierie tissulaire.

Cette avancée pourrait ouvrir la voie à une fabrication plus rapide et à plus haute résolution de matériaux sophistiqués destinés à des applications structurelles, à la robotique, au stockage d'énergie, à l'ingénierie tissulaire, aux dispositifs médicaux sur mesure et bien plus encore.

Objets de la taille de piles bouton imprimés avec une encre électrolytique fonctionnelle. Crédit : Ryan Truby/Université Northwestern

Un compromis de longue date

Bien que l'impression 3D ait transformé le secteur manufacturier, les méthodes existantes obligent souvent les utilisateurs à choisir entre vitesse, précision, taille des pièces et matériau.

Une technique courante, appelée écriture directe à l'encre, fonctionne un peu comme lorsqu'on presse un tube de dentifrice. L'imprimante projette une encre épaisse à travers une buse étroite, dessinant un objet 3D trait par trait. Bien que cette méthode puisse utiliser une grande variété d'encres, le tracé de chaque ligne est long. De plus, les minuscules buses nécessaires aux détails fins peuvent facilement se boucher ; les chercheurs utilisent donc souvent des buses plus larges, ce qui limite la résolution.

L'autre technique courante, appelée impression par la lumière, offre une alternative plus rapide et à plus haute résolution. Au lieu de tracer des lignes individuelles, ces imprimantes projettent un motif lumineux sur des résines liquides pour solidifier les zones exposées et les transformer en objets solides. Cette méthode rend l'impression plus rapide et plus précise, mais elle nécessite généralement des matériaux fins et fluides qui laissent facilement passer la lumière.

Une voie vers une impression plus rapide

Pour surmonter ces limitations, Kaarthik, Truby et leur équipe ont développé une approche hybride qui combine des éléments d'extrusion et d'impression à base de lumière.

Tout d'abord, l'imprimante dépose une grande quantité d'encre épaisse et pâteuse sur une surface plane à travers une longue et étroite ouverture, appelée buse à fente. Ensuite, une lame balaie le matériau, l'étalant en une feuille lisse et uniforme de seulement 50 microns d'épaisseur, plus fine qu'un cheveu. Enfin, un projecteur projette un motif lumineux sur la feuille, fixant ainsi des zones spécifiques pour former un dessin précis.

L'imprimante répète le processus, superposant couche après couche jusqu'à l'obtention de l'objet complet. En solidifiant des sections entières en une seule fois au lieu de les tracer ligne par ligne, la technologie DIAL imprime beaucoup plus rapidement que les méthodes d'extrusion classiques. De plus, sa résolution dépendant principalement de la taille des pixels du projecteur et de l'épaisseur de chaque couche d'encre — plutôt que de la taille de la buse —, DIAL peut reproduire des détails fins en haute résolution.

DIAL peut imprimer des objets courbes, complexes et imbriqués, comme ce réseau gyroïde. Crédit : Ryan Truby/Université Northwestern

Une encre qui sert également de support

Autre avantage, DIAL permet d'imprimer des structures autoportantes qui ne nécessitent pas d'échafaudages superflus. En impression 3D conventionnelle, les ponts fragiles, les surplombs et autres éléments complexes requièrent souvent des structures de support temporaires pour éviter leur effondrement. Ces échafaudages consomment davantage de matériau, allongent le temps d'impression et peuvent être difficiles à retirer.

« Lorsqu'on imprime en 3D une pièce complexe, il faut aussi imprimer un support pour la maintenir en place », explique Kaarthik. « Sans ce support, l'objet imprimé est voué à l'échec. Il faut ensuite trouver un moyen de le retirer. Or, cette opération peut parfois endommager les détails délicats que l'on cherche à reproduire. »

Avec DIAL, c'est l'encre elle-même qui assure ce maintien. Pour développer une encre modèle pour DIAL, l'équipe a mélangé une résine photopolymérisable avec des nanoparticules de silice pyrogénée, lui conférant ainsi une propriété appelée limite d'élasticité. À l'instar de la pommade, du fromage frais ou du dentifrice, l'encre conserve sa forme jusqu'à l'application d'une force. Lorsque la lame racle l'encre pour former une feuille, elle s'écoule temporairement. Puis, après le passage de la lame, l'encre retrouve rapidement sa rigidité et conserve sa forme.

En ajustant la concentration des nanoparticules de silice, les chercheurs ont optimisé la rigidité de l'encre et sa réactivité au grattage. L'encre non durcie qui entoure chaque motif imprimé reste suffisamment ferme pour supporter l'objet pendant sa fabrication.

Une fois l'impression terminée, l'utilisateur peut laver l'encre non durcie restante pour révéler l'objet fini. Il peut ensuite récupérer et réutiliser l'encre excédentaire restée sur la surface d'impression afin de réduire davantage les déchets.

Impression plus rapide, détails plus fins

Pour tester la technologie DIAL, les chercheurs ont imprimé diverses structures complexes. Lors d'une démonstration, l'équipe a imprimé une structure poreuse en forme de grille. DIAL a réalisé l'objet en 30 minutes, tandis que l'extrusion conventionnelle a nécessité 124 minutes, soit plus de quatre fois plus de temps.

Ils ont également utilisé DIAL pour imprimer des treillis aux parois d'une épaisseur de seulement 150 microns, impossibles à réaliser par extrusion conventionnelle, ainsi que des cottes de mailles imbriquées, difficiles à fabriquer par extrusion ou impression optique. En optimisant le passage d'un outil à l'autre avec DIAL, l'équipe espère réduire encore les temps d'impression.

L'équipe a également démontré que DIAL peut imprimer plusieurs objets simultanément et combiner différentes encres en couches successives. À titre d'exemple, elle a fabriqué une structure en nid d'abeille couvrant une surface près de quatre fois supérieure à la zone d'éclairage du projecteur en déplaçant ce dernier sur des feuilles d'encre superposées.

La plupart des imprimantes 3D à base de lumière fonctionnent dans une cuve remplie de résine liquide. Comme DIAL n'est pas confinée à une cuve, les chercheurs s'attendent à ce qu'elle puisse être étendue à des surfaces d'impression plus grandes plus facilement que la plupart des méthodes à base de lumière.

Des batteries à la recherche biomédicale

Au-delà de la démonstration de rapidité et de précision, l'équipe souhaitait prouver que DIAL pouvait fabriquer des matériaux aux fonctions utiles. Pour ce faire, elle a mis au point deux formulations d'encre supplémentaires.

L'une des encres était un électrolyte structurel composé d'un liquide ionique polymérisable, un sel liquide que le laboratoire de Truby synthétise pour les capteurs et dispositifs ioniques souples.

Grâce à cette encre à base d'électrolyte, les chercheurs ont imprimé 15 structures poreuses et complexes en une seule opération de 15 minutes. Ces structures avaient approximativement la taille de petites piles bouton. La possibilité d'imprimer des électrolytes en architectures 3D contrôlées avec précision pourrait à terme favoriser le développement de nouveaux dispositifs de stockage d'énergie.

Les chercheurs ont mis au point une encre hydrogel. Les hydrogels souples et riches en eau peuvent imiter certaines propriétés des tissus biologiques. Grâce à ce matériau, l'équipe a imprimé de petits conteneurs inspirés des inserts de culture cellulaire utilisés dans les laboratoires de biomédecine et d'ingénierie tissulaire. Ces conteneurs présentent des réseaux de pyramides inversées microscopiques qui rappellent les surfaces spécialisées utilisées pour la culture de cellules et d'organoïdes, c'est-à-dire de petites structures semblables à des organes cultivées en laboratoire. Crédit : Ryan Truby/Université Northwestern

Pour la seconde démonstration, les chercheurs ont mis au point une encre hydrogel. Les hydrogels souples et riches en eau peuvent imiter certaines propriétés des tissus biologiques. À l'aide de ce matériau, l'équipe a imprimé de petits récipients inspirés des inserts de culture cellulaire utilisés dans les laboratoires de biomédecine et d'ingénierie tissulaire.

Les conteneurs présentaient des réseaux de pyramides inversées microscopiques qui ressemblent aux surfaces spécialisées utilisées pour la culture de cellules et d'organoïdes, ou de petites constructions semblables à des organes cultivées en laboratoire.

« Pour imprimer ce type de matériaux, nous n'avons pas seulement besoin de nouveaux logiciels, de nouveaux matériels ou de nouvelles encres », a déclaré Truby. « Nous avons besoin des trois, fonctionnant de concert. Pranav et notre équipe ont réussi à y parvenir grâce à DIAL. »

« Nous travaillons actuellement à la mise au point de DIAL pour l'impression de matériaux et de structures capables de résister à des environnements extrêmes pour les voyages spatiaux, de servir de parties de corps flexibles pour les robots, de dispositifs médicaux et même de milieux de culture tissulaire pour la bioproduction. Nous allons être capables d'imprimer en 3D des matériaux qui n'ont jamais été imprimés en 3D auparavant. »

https://news.northwestern.edu/stories/2026/11/new-method-dials-up-new-capabilities-for-3d-printing

https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aei1146