Des chercheurs du MIT ont mis au point une plateforme d’impression 3D capable d’utiliser plusieurs matériaux fonctionnels pour imprimer intégralement un dispositif électronique complexe, comme un moteur linéaire électrique, en quelques heures seulement. Crédits: Image : Courtoisie des chercheurs

Surmontant les difficultés liées à l’impression 3D avec plusieurs matériaux fonctionnels, des chercheurs du MIT ont fabriqué un moteur linéaire électrique en quelques heures. Une panne de moteur dans une machine automatisée peut paralyser la production dans une usine en pleine activité. Si les techniciens ne trouvent pas de pièce de rechange, ils devront peut-être en commander une auprès d’un distributeur situé à des centaines de kilomètres, ce qui engendrera des retards de production coûteux.

Il serait plus facile, plus rapide et moins coûteux de fabriquer un nouveau moteur sur place, mais la fabrication de machines électriques nécessite généralement des équipements spécialisés et des processus complexes, ce qui limite la production à quelques centres de fabrication.

Dans le but de démocratiser la fabrication d’appareils complexes, des chercheurs du MIT ont développé une plateforme d’impression 3D multi-matériaux qui pourrait être utilisée pour imprimer entièrement des machines électriques en une seule étape.

Ils ont conçu leur système pour traiter plusieurs matériaux fonctionnels, notamment des matériaux conducteurs et magnétiques, grâce à quatre extrudeuses capables de gérer différentes formes de matériaux imprimables. L’imprimante alterne entre les extrudeuses, qui déposent le matériau en le faisant passer par une buse, couche par couche, pour fabriquer un dispositif.

Les chercheurs ont utilisé ce système pour fabriquer en quelques heures un moteur linéaire électrique entièrement imprimé en 3D à partir de cinq matériaux. Une seule étape de post-traitement a suffi pour que le moteur soit pleinement fonctionnel.

Le dispositif assemblé a affiché des performances égales, voire supérieures, à celles de moteurs similaires nécessitant des méthodes de fabrication plus complexes ou des étapes de post-traitement supplémentaires.

À long terme, cette plateforme d’impression 3D pourrait être utilisée pour fabriquer rapidement des composants électroniques personnalisables pour les robots, les véhicules ou les équipements médicaux, avec beaucoup moins de déchets.

« C’est une prouesse remarquable, mais ce n’est qu’un début. Nous avons l’opportunité de transformer radicalement les méthodes de fabrication en produisant le matériel sur place, en une seule étape, au lieu de dépendre d’une chaîne d’approvisionnement mondiale. Cette démonstration prouve que c’est possible », explique Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Laboratoires de technologie des microsystèmes (MTL) du MIT et auteur principal d’un article décrivant la plateforme d’impression 3D, publié aujourd’hui dans la revue Virtual and Physical Prototyping .

Il est rejoint sur cet article par Jorge Cañada, étudiant diplômé en génie électrique et informatique (EECS), qui est l’auteur principal, et Zoey Bigelow.

Plus de matériaux

Les chercheurs se sont concentrés sur l’impression 3D par extrusion, une méthode éprouvée qui consiste à injecter du matériau à travers une buse pour fabriquer un objet couche par couche.

Pour fabriquer une machine électrique, les chercheurs devaient pouvoir utiliser différents matériaux aux fonctionnalités variées. Par exemple, le dispositif nécessitait un matériau conducteur pour transporter le courant électrique et des matériaux magnétiques rigides pour générer des champs magnétiques et ainsi optimiser la conversion d’énergie.

La plupart des systèmes d’impression 3D par extrusion multi-matériaux ne peuvent utiliser que deux matériaux de même forme, comme le filament ou les granulés. Les chercheurs ont donc dû concevoir leur propre système. Ils ont modifié une imprimante existante en l’équipant de quatre extrudeuses, chacune capable de traiter un type de matériau différent.

Chaque extrudeuse a été conçue avec soin afin d’optimiser les exigences et les contraintes du matériau. Par exemple, le matériau conducteur doit pouvoir durcir sans nécessiter une chaleur excessive ni de lumière UV, car cela risque de dégrader le matériau diélectrique.

Parallèlement, les matériaux conducteurs les plus performants se présentent sous forme d’encres extrudées sous pression. Ce procédé exige des compétences très différentes de celles des extrudeuses classiques qui utilisent des buses chauffées pour projeter du filament fondu ou des granulés.

« Il y avait d’importants défis d’ingénierie. Nous devions trouver comment intégrer harmonieusement de nombreuses expressions différentes d’une même méthode d’impression — l’extrusion — sur une seule plateforme », explique Velásquez-García.

Les chercheurs ont utilisé des capteurs placés stratégiquement et un nouveau système de contrôle afin que chaque outil soit saisi et déposé de manière cohérente par les bras robotiques de la plateforme, et que chaque buse se déplace avec précision et prévisibilité.

Cela permet de garantir que chaque couche de matériau soit correctement alignée ; même un léger défaut d’alignement peut compromettre le fonctionnement de la machine finie.

Fabrication d’un moteur

Après avoir perfectionné la plateforme d’impression, les chercheurs ont fabriqué un moteur linéaire, qui génère un mouvement rectiligne (contrairement à un moteur rotatif, comme celui d’une voiture). Les moteurs linéaires sont utilisés dans des applications telles que la robotique de prélèvement et de placement, les systèmes optiques et les convoyeurs à bagages.

Ils ont fabriqué le moteur en trois heures environ et n’ont eu besoin que de magnétiser les matériaux magnétiques durs après l’impression pour qu’il soit pleinement fonctionnel. Les chercheurs estiment que le coût total des matériaux serait d’environ 50 centimes par dispositif. Leur moteur imprimé en 3D a pu générer une force d’actionnement plusieurs fois supérieure à celle d’un moteur linéaire classique utilisant des amplificateurs hydrauliques complexes. 

« Même si nous sommes enthousiasmés par ce moteur et ses performances, nous sommes tout aussi inspirés car ce n’est qu’un exemple parmi tant d’autres choses à venir qui pourraient radicalement changer la façon dont l’électronique est fabriquée », déclare Velásquez-García.

À l’avenir, les chercheurs souhaitent intégrer l’étape de magnétisation au processus d’extrusion multi-matériaux, démontrer la fabrication de moteurs électriques rotatifs entièrement imprimés en 3D et ajouter davantage d’outils à la plateforme pour permettre la fabrication monolithique de dispositifs électroniques plus complexes.

https://news.mit.edu/2026/3d-printing-platform-rapidly-produces-complex-electric-machines-0218