Lorsque Ian Ramsdell, fondateur de Kupros, a commencé à interroger des spécialistes de l’électronique sur l’impression 3D de cuivre massif, il s’est heurté à un scepticisme généralisé. Un expert, selon les souvenirs de Ramsdell, a insisté sur le fait que c’était impossible et que cela ne le serait jamais : « Le cuivre ne peut pas être imprimé en 3D, il ne le sera jamais. » Ce que cet expert ignorait, c’est que M. Ramsdell s’appuyait déjà sur une expérience de laboratoire confirmée, menée et validée par l’armée américaine des années auparavant.
Cet écart entre « impossible » et « déjà prouvé en laboratoire » est à l’origine de Kupros et de son produit phare, le Cu29 : un filament entièrement métallique et conducteur conçu pour être imprimé sur des imprimantes standard d’impression 3D par dépôt de matière fondue (FDM), ces machines de bureau déjà présentes dans la plupart des ateliers. L’ambition va bien au-delà des circuits imprimés. Comme le conducteur est extrudé en même temps que le plastique structurel au cours d’une même impression, le Cu29 est destiné aux capteurs intégrés, au routage de signaux embarqué, ainsi qu’aux antennes conformes et aux chemins conducteurs qui épousent la géométrie d’une pièce plutôt que d’être disposés sur une carte plate. Dans les secteurs de l’aérospatiale et de la défense, où Kupros prévoit une forte demande initiale, les arguments sont concrets : moins de faisceaux de câbles, de connecteurs et d’interconnexions, des capteurs de santé structurelle intégrés aux pièces porteuses, et des itérations plus rapides à mesure que la conception électrique et mécanique évoluent de concert. « Ce n’est pas parce qu’on a dit à quelqu’un que quelque chose était impossible que cela ne peut pas être réalisé », a déclaré M. Ramsdell.
Le Cu29 peut être utilisé pour développer des composants électroniques intégrés.
Le marché s’est engagé avant même que le matériau ne soit finalisé. Sélectionné comme finaliste du programme xTech de l’armée lors de la conférence DMC 2022 à Tampa, M. Ramsdell est reparti avec des commandes prépayées de la NASA, de Northrop et de Boeing. D’autres préventes ont suivi, de la part de KBR, du DEVCOM de l’armée américaine et de plusieurs universités. Les acheteurs ont versé des acomptes alors que la science des matériaux était encore en cours de développement. « Ils étaient prêts à me payer d’avance pour être les premiers à accéder au matériau dès sa sortie de production », explique-t-il. Il s’agit là d’un niveau de confiance inhabituel pour une start-up spécialisée dans les matériaux qui n’a encore généré aucun chiffre d’affaires.
La technologie sous-jacente est issue d’un laboratoire de la Marine américaine ; M. Ramsdell en attribue le mérite au scientifique Carson Holmes, alors technicien travaillant sur des systèmes électroniques additifs chez Optomec, Nano Dimension et nScript. Ces machines, dont le prix s’élevait à plusieurs millions, reposaient sur une technologie d’impression à jet d’encre à base d’argent présentant de réelles limites : « En raison de la porosité des pistes, elles sont parfois limitées à une utilisation à basse tension et à faible intensité », a expliqué M. Ramsdell. La proposition de M. Holmes, qui visait à proposer une meilleure solution, a été désignée meilleur article de 2017 dans le cadre du prix de l’innovation en conception décerné par l’Office of Naval Research, puis est restée inutilisée jusqu’à ce que M. Ramsdell en acquière la licence en 2021 par l’intermédiaire d’un « startup studio » du ministère américain de la Défense.
C’est cette approche qui l’a conduit à s’intéresser à un matériau que d’autres avaient écarté : plutôt que de parier sur une science non éprouvée, il s’est appuyé sur une technologie dont un laboratoire national avait déjà réduit les risques. L’échec qu’il s’était fixé de surmonter était de longue date, et non pas un problème de niche. « Un très, très grand fabricant d’électronique nous a confié qu’il tentait de produire un matériau similaire depuis les années 1990, sans y parvenir. »
La difficulté est inhérente au métal. «Le cuivre est très réfléchissant, il transfère la chaleur de manière très efficace et s’oxyde au moindre changement de température », explique M. Ramsdell, une combinaison qui a entravé l’impression du cuivre dans toutes les familles de procédés pendant des décennies. Selon lui, la résolution de ce problème a ouvert la voie à des applications bien au-delà des pistes conductrices. L’équipe peut désormais doper le matériau pour lui conférer des propriétés telles que le blindage contre les rayonnements et des structures anti-falsification, « afin que personne ne puisse passer les composants aux rayons X pour procéder à une ingénierie inverse ».
L’impression à filament conducteur permet aux utilisateurs de créer des circuits de signalisation intégrés, des capteurs intégrés, des chemins conducteurs conformes, des antennes intégrées, et bien plus encore.
L’argument commercial repose sur l’accessibilité. L’électronique additive a toujours été synonyme de machines à six ou sept chiffres. Le Cu29 est conçu pour s’intégrer directement dans les équipements déjà présents sur le banc de travail : M. Ramsdell l’a testé sur des imprimantes de bureau à moins de 300 dollars et sur une Bambu Lab A1 Mini dotée d’un système de gestion automatisé des matériaux, et il est en train de valider la Prusa XL comme plateforme recommandée. Il ne nécessite aucune modification de l’imprimante au-delà d’une tête d’impression en acier, et Kupros affirme qu’un conducteur imprimé est fonctionnel dès sa sortie du plateau, sans frittage, placage, durcissement ni nettoyage chimique, ce qui contraste nettement avec les coûts d’entretien liés à l’impression jet d’encre à l’argent.
Il est à noter que le Cu29 n’est pas destiné à fabriquer des pièces métalliques volumineuses de la même manière que le PLA fabrique des pièces en plastique. M. Ramsdell précise que l’équipe n’a imprimé que « cinq ou six hauteurs de couche » sur l’axe Z, principalement pour tester l’auto-adhérence, et qu’elle « ne cherche pas à construire en trois dimensions pour le moment ». L’accent est plutôt mis sur l’électronique intégrée. Le filament fait office de conducteur intégré dans et sur des structures polymères, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication est multimatière : le plastique structurel et le Cu29 sont imprimés ensemble, souvent sur une machine à double extrudeuse ou IDEX, de sorte que le circuit électrique est intégré au fur et à mesure de la fabrication de la pièce. « Au lieu de placer des composants traditionnels directement sur le circuit imprimé, vous allez en fait les placer directement là où ils sont nécessaires. »
Les chiffres de performance de Kupros, que M. Ramsdell prend soin de qualifier de préliminaires, font la une. Lors des premiers essais à haute tension, l’entreprise a fait passer 12 500 volts à travers le matériau sans le détruire, puis a continué à augmenter le courant. « Nous n’arrêtions pas de faire sauter les alimentations électriques et nous n’arrivions pas à obtenir suffisamment de courant pour effectuer des essais destructifs », a-t-il déclaré. Un banc de supercondensateurs a ensuite fait passer, selon ses estimations, bien plus de 600 ampères à travers un échantillon court, toujours sans défaillance. Par rapport à l’encre à jet d’encre à base d’argent, le seul matériau additif comparable, M. Ramsdell affirme que le Cu29 est 48 000 % plus conducteur. Ces chiffres sont fournis par l’entreprise et doivent encore faire l’objet d’une vérification indépendante, mais le positionnement est clair : un matériau unique pour les applications à haute et à faible puissance, ce que la chimie actuelle ne permet pas. Kupros a également remporté le TCT Materials Award lors du salon RAPID cette année.
Actuellement, Kupros développe le Cu29 Space, une variante du matériau de base qui visera à lutter contre la formation de « whiskers » d’étain. Ce phénomène se produit lorsque des conducteurs en étain développent de minuscules filaments métalliques pouvant relier des pistes adjacentes, provoquant ainsi un court-circuit. Cela représente un risque, en particulier pour les engins spatiaux, où le matériel ne peut pas être réparé et où un seul court-circuit peut mettre fin à une mission. Selon Kupros, la variante « Space » est formulée pour éliminer la formation de whiskers tout en permettant l’impression de pistes de 0,2 mm à 1,2 mm sur du matériel FDM classique. Ce filament pourrait être utilisé pour des conducteurs de puissance, des composants électroniques non planaires et modulaires, ainsi que pour des capteurs et des antennes intégrés.
Ce nom renvoie aux origines mêmes de ce métal. « Kupros signifie “cuivre” en grec », note Ramsdell, et « les Grecs ont été la toute première civilisation humaine à entrer dans l’âge du cuivre. » Ce choix est délibéré pour un fondateur à qui l’on a répété à maintes reprises que son idée de base était impossible.
Pour un secteur de la fabrication additive qui attend toujours la concrétisation de la promesse de pièces fonctionnelles et multimatières sortant directement du plateau d’impression, un filament métallique conducteur fonctionnant sur du matériel standard, avec une gamme de qualité spatiale déjà en préparation, constitue une véritable avancée, à condition que les performances soient au rendez-vous. Si vous souhaitez en savoir plus sur Kurpos, rendez-vous sur son site web ICI.
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*Crédits de toutes les photos : Kupros
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