L’impression métallique 3-D sans poudre, sans laser

Technologies | 23 septembre 2019

Par eeNews Europe

Electromechanical Materials & processes

Cette technique d’impression métallique 3-D ne fait pas appel à des procédés thermiques, à des lasers ou à des poudres, mais à un bain électrochimique et à un réseau de micro-électrodes servant de tête d’impression. Avec le soutien d’imec et d’imec.xpand, la tête d’impression a été adaptée pour utiliser la technologie d’affichage à film mince, permettant l’impression de structures 3D à haute résolution.

La plupart des procédés de pointe utilisent une technique thermique qui consite à fusionner des poudres métalliques. À l’heure actuelle, cela nécessite des machines dotées de systèmes laser complexes, et l’utilisation de poudres métalliques très coûteuses ce qui limite réellement les applications pour l’impression 3D. La réponse de Fabric8Labs à cet obstacle est appelée fabrication additive électrochimique ou ECAM (electrochemical additive manufacturing).

S’inspirant d’une technique de dépôt électrochimique similaire à celle utilisée dans l’industrie des semiconducteurs pour la fabrication de très petites structures pour les dispositifs MEMS, ils ont développé l’ECAM en une solution flexible pour l’industrie de l’impression 3D. Cette technique n’utilise aucun procédé thermique, laser ou poudres, mais repose uniquement sur l’électrochimie. Le produit de départ est un bain d’électrolyte avec des sels métalliques dissous en solution; la tête d’impression est un réseau de micro-électrodes. En activant sélectivement les électrodes selon le motif souhaité, un courant traverse le bain et dépose le matériau.

Pourquoi l’électrochimie bat la technique lasers et poudres

L’imprimante haute résolution de génération 1
de Fabric8Labs.

L’un des principaux avantages de cette technique est son prix nettement plus bas. Le coût de la technologie est réduit de deux manières. Premièrement, l’imprimante elle-même est moins chère car les composants coûteux d’une imprimante métal-3D métal traditionnelle, telle que le laser, ne sont pas cécessaires. Deuxièmement, et surtout, l’électrolyte de l’imprimante ECAM est nettement moins coûteux que les poudres métalliques. Les consommables sont par conséquent d’un ordre de grandeur moins cher que ce que proposent actuellement les concurrents.

Et ce n’est que la moitié de l’équation! Le fait de construire des pièces au niveau atomique présente également un avantage en termes de qualité. Lorsque vous fusionnez des poudres de métal, vous pouvez vous retrouver avec des problèmes de microvides, de finitions rugueuses et de contraintes thermiques. Le processus ECAM ne souffre pas de ces problèmes car il construit atome par atome, ce qui permet d’obtenir des pièces de densité homogènes avec de très bonnes finitions de surface.

Enfin, un autre avantage de cette technique par rapport à un système laser réside dans le fait qu’une couche entière est construite en une seule fois au lieu de devoir scanner par laser toute la surface de fabrication, ce qui facilite l’évolution vers des surfaces plus grandes. En collaboration avec imec, Fabic8Labs étudie donc les possibilités de développer la tête d’impression pour des formats de plus en plus grands.

Actuellement, la tête d’impression – et donc la zone d’impression – est limitée à 2,5 cm x 2,5 cm mais elle évoluera à mesure que la technologie évoluera pour aller jusqu’à la taille d’un grand moniteur ou d’un téléviseur. Cela vous permet de produire des pièces à des volumes faibles à moyens ou très volumineux. Ce qui n’est tout simplement pas possible pour les systèmes laser car il leur faudrait ajouter des lasers pour augmentaer le volume de fabrication. Tandis que pour la technologie ECAM: plus la tête d’impression est grande, plus vous pouvez créer en une seule fois.

Le partenariat avec imec

The 25x25mm micro-electrode array developed at imec
for the generation 1 printer.

La tête d’impression est également la raison pour laquelle Fabric8Labs s’est associé très tôt avec imec. La technologie initiale de validation de concept consistait en une implémentation grossière à faible résolution avec de grandes électrodes. Il est rapidement devenu évident que le secteur des semi-conducteurs était la voie à suivre pour mettre en œuvre la miniaturisation. À ce stade, imec est intervenu pour aider au développement du réseau de micro-électrodes avec ses services de conception et son expertise.

La technologie a été évaluée dans le cadre d’une étude de conception et d’une simulation pour l’adapter à l’application. Dans cette collaboration, la tête d’impression a été adaptée pour utiliser la technologie d’affichage à couche mince, permettant ainsi l’impression des premières structures 3D haute résolution. En outre, imec.xpand a dirigé la série d’investissements de démarrage de Fabric8Labs avec la participation d’un investisseur privé basé aux États-Unis. imec.xpand est un fonds de capital-risque à valeur ajoutée géré de manière indépendante et axé sur les innovations nanotechnologiques hardware, dans lequel technologie, expertise, réseau et infrastructure imec joueront un rôle de différenciation.

The scaling roadmap for larger ECAM-printers.

Pour la suite, imec apportera également son expertise pour le traitement spécialisé des fonds de panier reposant sur la technologie des couches minces, qui les rend résistants aux produits chimiques et stables dimensionnellement, ainsi qu’à la conception de la tête d’impression de nouvelle génération. La plus grande contrainte aujourd’hui est le petit volume de fabrication de 25x25x75 mm. Par conséquent, pour le moment, seules des petites éprouvettes sont envoyées aux clients, telles que des échantillons de matériaux, des barres de traction et des pièces de facteur de forme plus petites. Avec l’imprimante de nouvelle génération, qui sera déployée l’année prochaine, les pièces fonctionnelles peuvent être imprimées sur une zone d’impression de 100 x 100 mm. À l’avenir, l’imprimante de troisième génération pourrait produire des pièces de 300 x 450 mm.

Métaux et autres matériaux

La nouvelle technique d’impression ne fait pas de compromis sur la résolution ou la vitesse, mais son principal inconvénient est la gamme limitée de matériaux. L’impression ECAM est limitée aux matériaux pouvant être traités par galvanoplastie. Il existe actuellement environ 30 à 40 matériaux imprimables. Il existe également une liste de matériaux qui ne fonctionnent pas, par exemple des alliages complexes qui nécessitent le contrôle de nombreux éléments différents. Néanmoins, l’ECAM offre toute une gamme d’options matérielles supplémentaires, découlant du fait que le processus peut utiliser toutes les avancées de l’industrie de la galvanoplastie.

Les fruits les plus faciles à récolter dans ce cas sont les applications du cuivre où la technique est un véritable différenciateur. Pensez aux échangeurs de chaleur ou aux boîtiers de puces pour applications à semiconducteurs qui se concentrent sur le cuivre hautement conducteur, thermiquement ou électriquement. D’autres systèmes rencontrent des difficultés avec ces pièces car le cuivre est très difficile à faire fondre avec un laser. Une autre opportunité réside dans les pièces multi-matériaux. À long terme, il sera non seulement possible d’imprimer un matériau différent à l’extérieur et à l’intérieur, mais également de combiner du métal et des matériaux organiques dans une seule pièce. En tant que tel, tout ce qui peut être galvanisé peut être adapté au processus. Certains plastiques peuvent être galvanisés, ainsi qu’un certain nombre de matériaux que vous pouvez ajouter au bain pour co-déposition avec le métal. Les exemples incluent les nanotubes de carbone ou les poudres de diamant qui vous permettent de tirer parti de leurs propriétés uniques.

Le futur de l’impression métal en3D

Alors, qu’est-ce qui nous attend? L’objectif principal de Fabric8Labs est maintenant de redimensionner les têtes d’impression. Dans le même temps, le développement d’autres matériaux, tels que différents alliages de nickel, figure parmi les priorités. Ils effectuent déjà des travaux de chimie pour développer les bains chimiques. L’impression multi-matériaux est prévue pour après. Dans 5 à 10 ans, il est possible de réduire considérablement les pixels pour permettre l’impression de structures MEM et de têtes d’impression de la taille d’un mètre pour la production en série. Cela signifie qu’il sera possible de passer de la technologie mm actuelle à l’impression à l’échelle nanométrique.