Des particules microscopiques imprimées en 3D pourraient changer la médecine et l’électronique

Les révolutions dans le monde de l’impression 3D se produisent à un rythme rapide. Plus tôt ce mois-ci, une entreprise en Allemagne créée La Wave House, réalisée en impression 3D. D'une superficie de 3 m², il s'agit du plus grand bâtiment imprimé en 600D d'Europe. Son design en forme de vague, impossible à réaliser avec des méthodes de construction conventionnelles, lui confère une apparence atypique. La technologie d'impression 6,600D a permis une grande liberté de conception et a nécessité environ 3 heures de travail.

La semaine dernière, le tout premier événement au monde Mosquée imprimée en 3D, d'une superficie de 5,600 XNUMX m², a ouvert ses portes à Djeddah, en Arabie saoudite. Sa construction a duré six mois.

En ce qui concerne la technologie d'impression 3D, la société ICON, basée au Texas, a récemment dévoilé Son imprimante 3D, Phoenix, est équipée d'un bras robotisé. Elle permet de créer des structures à plusieurs étages avec des systèmes entièrement fermés à partir d'un mélange à faible émission de carbone. Avec ses 70 mètres de haut, Phoenix permet des constructions plus hautes (jusqu'à 27 mètres) que l'imprimante actuelle d'ICON, la Vulcan, qui dispose d'un système de portique avec un châssis plus proche du sol. 

La société a également annoncé le développement d’un nouveau mélange de matériaux appelé CarbonX, qui est « le système de construction résidentielle à faible teneur en carbone prêt à être utilisé à grande échelle ». De plus, ICON a intégré l'IA dans ses systèmes afin que chacun puisse concevoir des schémas de maison imprimables en 3D via sa plateforme Vitruvius.

Mais ce n'est pas tout. Le mois dernier, l'impression 3D permis la création d'yeux prothétiques extrêmement réalistes en seulement 90 minutes, contrairement aux 8 heures habituelles qu'il faut à un technicien qualifié pour en produire une manuellement. Ensuite, il y a l’impression 3D de drones, de propulseurs et d’explosifs. 

L'impression 3D, comme nous l'avons vu précédemment, progresse à un rythme effréné, ce qui est logique compte tenu de l'intérêt croissant pour ce domaine. Cet intérêt croissant s'explique par la capacité de cette technique à créer des formes personnalisées et à imprimer plusieurs types de matériaux en une seule pièce, économisant ainsi de l'argent et des matériaux tout en étant respectueuse de l'environnement.

Également appelée fabrication additive, l’impression 3D consiste à jalonner un matériau couche par couche à l’aide d’une imprimante pour construire un objet. Cependant, cela n’est pas sans défis, notamment en termes de matériaux limités, de mise en forme de certains matériaux, de taille restreinte, d’inexactitudes de conception, etc.

Les scientifiques s’efforcent donc de trouver des moyens de surmonter ces défis et de rendre l’impression 3D encore plus efficace et réalisable à grande échelle.

Récemment, une étude a mis au point un nouveau processus d'impression 3D à l'échelle microscopique qui développe des particules, à un rythme pouvant atteindre 1 million par jour, dans presque toutes les formes pour une utilisation dans la fabrication, la médecine et la recherche. 

Particules microscopiques imprimées en 3D

Publié dans Nature, le étude est appelée « impression 3D roll-to-roll, haute résolution de particules de forme spécifique » et réalisée par des chercheurs de l’Université de Stanford. 

Parmi les personnes impliquées dans l'étude figurent Jason M. Kronenfeld, doctorant au département de chimie de Stanford, ainsi que Lukas Rother et Maria T. Dulay, tous deux au département de radiologie. Max A. Saccone et Joseph M. DeSimone appartiennent tous deux au département de radiologie et au département de génie chimique.

Dans l’étude, les chercheurs ont noté à quel point la fabrication de particules devient populaire grâce à ses diverses applications dans les domaines de la microélectronique, des abrasifs, des systèmes granulaires, de la microfluidique, de la bio-ingénierie et de l’administration de médicaments et de vaccins.

Bien que ces particules extrêmement petites imprimées en 3D aient un large éventail d’applications, elles nécessitent une coordination précise entre le mouvement de la scène, l’apport de lumière et les propriétés de la résine (une substance hautement collante). Cela rend difficile la fabrication évolutive de telles particules microscopiques personnalisées. 

Ainsi, les chercheurs de Stanford ont introduit une technique d’impression 3D haute résolution, évolutive pour la fabrication de particules de forme spécifique. Cette technique de traitement, basée sur la production continue d'interface liquide rouleau à rouleau (r2rCLIP), est beaucoup plus efficace pour imprimer chaque jour d'énormes quantités de particules micrométriques personnalisables et très détaillées.

Selon l'auteur principal de l'étude, Kronenfeld, candidat au doctorat au laboratoire DeSimone, cette technique permet de créer des formes plus complexes à l'échelle microscopique, à partir d'une large gamme de matériaux et à des vitesses jamais vues auparavant pour la fabrication de particules. 

La recherche s’appuie sur la technique d’impression appelée production continue d’interface liquide (CLIP), introduite il y a près de dix ans, en 2015, par DeSimone et ses collègues. 

CLIP utilise la lumière UV et la projette en tranches pour durcir rapidement la résine et lui donner la forme souhaitée. La particularité de cette technique réside dans la présence, au-dessus du projecteur UV, d'une fenêtre permettant à l'oxygène de pénétrer. Cette fenêtre perméable à l'oxygène empêche la résine liquide d'y adhérer en créant une « zone morte ». Ainsi, nous pouvons durcir des détails délicats sans arracher chaque couche de la fenêtre, ce qui accélère l'impression des particules.

Le co-auteur DeSimone, professeur Sanjiv Sam Gambhir de médecine translationnelle à Stanford et responsable de diverses avancées dans les domaines des dispositifs médicaux, de la nanomédecine et de l'impression 3D, a déclaré :

"Utiliser la lumière pour fabriquer des objets sans moules ouvre un tout nouvel horizon dans le monde des particules." 

Réaliser cela à un niveau évolutif peut offrir des opportunités supplémentaires d’utiliser ces particules « pour piloter les industries du futur », a-t-il ajouté.

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r2rCLIP pour permettre la production de masse

Sur la base de CLIP, les chercheurs ont créé un nouveau processus permettant de produire en masse des objets de forme unique. particules nanométriques. Tout d’abord, ils ont soigneusement tendu un film et l’ont envoyé à l’imprimante CLIP, où des centaines de formes ont été imprimées simultanément sur le film.

Ensuite, on passe au lavage, au durcissement et au retrait des formes. Toutes ces étapes peuvent être personnalisées en fonction du matériau utilisé et de la forme souhaitée. Le film vide, enfin, est enroulé, d'où le nom roll-to-roll CLIP, ou r2rCLIP. 

L'utilisation d'optiques à résolution micrométrique à un chiffre, ainsi qu'un rouleau de film continu au lieu d'une plate-forme statique, ont permis aux chercheurs de réaliser une fabrication permutable rapide ainsi que le décollage de particules à partir de différents matériaux et avec des géométries plus complexes. 

Selon l'étude, les géométries comprenaient celles qui ne pouvaient pas être obtenues avec des techniques avancées basées sur des moules, mettant ainsi en valeur les capacités uniques de l'approche de l'équipe.

Les formes moulables et non moulables de r2rCLIP ont été présentées avec des tailles de voxel (un seul échantillon sur une grille 3D régulièrement espacées) de 2.0 × 2.0 µm2 en impression et ayant une épaisseur non supportée de 1.1 ± 0.3 µm. 

Avant le CLIP roll-to-roll, un lot de particules imprimées doit être traité manuellement, ce qui est un processus lent qui nécessite un effort physique important. L'automatisation de r2rCLIP permet désormais une fabrication à un niveau sans précédent, c'est-à-dire jusqu'à 1,000,000 XNUMX XNUMX de particules chaque jour.

Le processus d'impression de particules a été entièrement automatisé grâce au remplacement du plateau de construction statique de l'imprimante CLIP par un système modulaire à film continu, en rouleau. Cela permet un post-traitement automatisé en ligne, incluant le nettoyage, le post-durcissement et le prélèvement des particules (récolte). 

Dans son article, l’équipe a noté que l’un des principaux avantages de l’utilisation de sa technique CLIP rouleau à rouleau pour la fabrication de particules réside dans son processus inné sans moisissure. Cela permet de produire une large gamme de géométries de particules sans avoir à modifier la disposition.

En matière de fabrication de particules, différentes approches impliquent des compromis entre évolutivité, vitesse, uniformité, propriétés des matériaux et contrôle géométrique. Par exemple, même si certains processus peuvent imprimer à l’échelle nanométrique, ils ont tendance à être plus lents. 

« Nous parvenons à trouver un équilibre précis entre vitesse et résolution », a déclaré Kronenfeld. Leur technique, a-t-il souligné, est « particulièrement capable » de produire des résultats haute résolution, tout en préservant la vitesse nécessaire pour répondre aux volumes de production de particules requis par différentes applications. 

Il a ajouté:

« Les techniques ayant un potentiel d’impact translationnel doivent être facilement adaptables de l’échelle du laboratoire de recherche à celle de la production industrielle. » 

Vaste Applications

La recherche, financée par le programme de bourses de recherche pour les diplômés de la National Science Foundation et la Fondation Bill & Melinda Gates, vise à être largement adoptée par d'autres chercheurs et l'industrie.

Avec l'évolution rapide de l'impression 3D, r2rCLIP représente ici « une technologie fondamentale », a déclaré DeSimone, qui est directeur fondateur du Center for STEMM Mentorship de Satnford, codirecteur du Canary Center de Stanford pour la détection précoce du cancer et membre du corps professoral de Sarafan ChEM-H.

Cependant, selon DeSimone, l’industrie commence à se concentrer sur les produits 3D plutôt que sur ces processus, qui « deviennent clairement précieux et utiles ». Alors la question est maintenant : 

« Quelles sont les applications à forte valeur ? »

Selon l’étude, les particules microscopiques aux conceptions complexes permettent une intégration directe dans les applications de matériaux analytiques, biomédicaux et avancés.

Les chercheurs eux-mêmes ont expérimenté la production de particules molles et dures, constituées d'hydrogels, qui peuvent trouver des applications dans l'administration de médicaments dans le corps, et de céramiques, qui peuvent être utilisées dans la fabrication de produits microélectroniques.

En les utilisant dans la production de particules d'hydrogel, il devient possible de les remplir pour obtenir des profils de libération ajustables, graduelles ou pulsatiles en une seule injection. De nombreuses études ont déjà exploré la création de systèmes de résines photopolymères adaptés et examiné l'influence de la forme, de la taille et de la biocompatibilité des matériaux sur la localisation et l'administration. Cela a conduit à la création de bio-échafaudages et de collecteurs d'administration, ouvrant de nombreuses perspectives pour la fabrication de particules d'hydrogel pour l'administration de médicaments, sans pour autant impliquer de procédé de fabrication évolutif et permutable. 

Ici, l'équipe a fabriqué des cubes d'hydrogel d'une taille unitaire de 400 µm et les a remplis manuellement avec environ huit ml de post-impression de cargaison représentative, suivis d'un capuchon d'hydrogel. L'étude a mis en évidence le potentiel d'une palette programmable de libération de marchandises grâce à des recherches futures en s'appuyant sur des études antérieures sur la cinétique des véhicules de livraison de médicaments et en tirant parti des propriétés réglables du poids moléculaire et de l'épaisseur des parois.

La polyvalence matérielle et mécanique, de la céramique à l’hydrogel, peut également contribuer à la création de matériaux intelligents. Ainsi, en démontrant un potentiel de fabrication sur une gamme aussi large, cette approche évolutive de production de particules a également des applications potentielles dans les micro-outils et l’électronique, ajoute-t-il. 

Le haut débit de la technique (r2rCLIP), quant à lui, a des implications directes pour la production à l’échelle industrielle de microdispositifs tels que des microrobots et des systèmes de livraison de marchandises. Ceci est particulièrement intéressant pour la production de matériaux céramiques. 

Selon l'étude, l'utilisation de résines précéramiques pour fabriquer des particules céramiques techniques à grande échelle pourrait avoir des applications possibles dans les systèmes microélectromécaniques, les techniques de planarisation mécanique en tant que composants en suspension et les particules conductrices qui permettront des applications industrielles telles que les télécommunications et les soins de santé.

Selon Dulay, chercheur scientifique principal :

« Les applications sont très variées, et nous commençons tout juste à les explorer. Le niveau où nous en sommes avec cette technique est tout simplement extraordinaire. »

Entreprises utilisant des approches innovantes en matière de fabrication additive

Examinons maintenant quelques entreprises qui ouvrent la voie à l’impression 3D :

# 1. HP Inc.

Acteur reconnu dans le secteur de l'impression traditionnelle, HP Inc. a multiplié les avancées dans le domaine de l'impression 3D, notamment grâce à sa technologie Multi Jet Fusion (MJF), conçue pour la production industrielle. Elle offre une impression 3D à grande vitesse et permet de contrôler les propriétés de chaque voxel. La technologie Jet Fusion de l'entreprise pour la production industrielle et le prototypage comprend la série 5600 pour optimiser les applications de production flexible à l'échelle 1, la série 5400 pour les applications blanches de qualité, la série 5200 pour la production de pièces 3D finales de haute valeur, et la série 4200 pour optimiser la productivité et les coûts.

Cette semaine, HP prévoit de présenter des pièces imprimées en 3D utilisant son nouveau matériau, le PA 12 S, lors de la conférence annuelle AM ​​Forum à Berlin. Ce matériau est spécialement conçu pour les solutions polymères 3D de l'entreprise utilisées dans l'industrie et offre des avantages tels que la réduction des coûts et une excellente esthétique de surface.

Avec une capitalisation boursière de 29.83 milliards de dollars, l'action de la société s'échange à 30.66 dollars, en hausse de 1.1 % depuis le début de l'année. La société a enregistré un chiffre d'affaires (sur les douze derniers mois) de 53.1 milliards de dollars, un BPA (sur les douze derniers mois) de 3.41 et un PER (sur les douze derniers mois) de 8.91. Son dividende s'élève à 3.62 %..

# 2. Materialise NV

Cette société basée en Belgique propose une large gamme de services d'impression 3D, notamment l'impression de métaux et de polymères. L'entreprise est particulièrement connue pour son expertise dans le secteur de la santé, où elle utilise l'impression 3D pour les implants, les guides chirurgicaux et les modèles anatomiques. 

Fin 3, Ricoh, entreprise japonaise d'imagerie et d'électronique, s'est associée à Materialise pour proposer l'impression 3D au point d'intervention aux hôpitaux américains, permettant ainsi la production de modèles anatomiques de l'anatomie du patient. Le mois dernier, Materialise a également lancé un traitement personnalisé de l'articulation temporo-mandibulaire (ATM) par impression XNUMXD.

Avec une capitalisation boursière de 293.56 millions de dollars, l'action de la société s'échange à 5.36 dollars, en baisse de plus de 24 % depuis le début de l'année. La société a enregistré un chiffre d'affaires (sur les douze derniers mois) de 278.69 millions de dollars, un BPA (sur les douze derniers mois) de 0.13 et un PER (sur les douze derniers mois) de 39.57.

Récemment, la société a annoncé ses résultats financiers pour le quatrième trimestre et l'ensemble de l'année 4, au cours desquels son chiffre d'affaires a augmenté respectivement de 2023 % à 4.1 millions d'euros et de 65.3 % à 10.4 millions d'euros, malgré les « conditions macroéconomiques et géopolitiques turbulentes ».

Materialise a également déclaré 128 millions d'euros de trésorerie et équivalents de trésorerie, ce qui, selon sa PDG Brigitte de Vet-Veithen, ainsi qu'un financement supplémentaire obtenu, la placent « bien positionnée » pour continuer à proposer des produits et solutions logicielles 3D innovantes.

Conclusion

Comme nous l'avons noté ci-dessus, l'impression 3D présente de grands avantages dans plusieurs secteurs, notamment le médical, l'automobile, l'aérospatiale, les biens de consommation, la bijouterie, ainsi que la défense et l'armée. Bien qu’il suscite déjà une curiosité et une utilisation croissantes, son adoption ne fera que croître dans les années à venir, à mesure que davantage de recherches permettront de produire des objets à grande échelle. Le l’avenir de l’impression 3D est tout simplement prometteur, démontrant la promesse de révolutionner l’industrie manufacturière et de créer un avenir plus résilient.