Tout savoir sur le procédé Direct Ink Writing

Direct ink writing (DIW) ou écriture directe à l’encore est une technique de fabrication additive par extrusion dans laquelle l’encre est extrudée à travers une buse fine qui suit un chemin défini numériquement pour construire une structure tridimensionnelle couche par couche. L’une des principales caractéristiques de cette technique est sa capacité à imprimer des encres personnalisables à l’échelle mésoscopique et microscopique (le procédé n’est pas adapté pour des projets à grande échelle). Cette technologie a été brevetée pour la première fois en 1997 par Joe Cesarano et Paul Calvert au Sandia National Laboratory, où ils l’ont développée comme technique d’impression de structures céramiques complexes. Depuis lors, le DIW a été largement appliqué à toute une série d’études et de processus de fabrication au-delà de la céramique. Il a principalement été utilisé dans des laboratoires de recherche pour la fabrication et le prototypage à petite échelle, mais cette technique a le potentiel de créer des pièces efficaces de qualité industrielle. Nous allons ici examiner de plus près le processus, les matériaux et les applications du DIW, en soulignant ses avantages et ses limites.

Comment fonctionne le Direct Ink Writing ?

En règle générale, le processus fondamental de l’écriture directe à l’encre est le même que celui de tout autre processus d’impression 3D. Les utilisateurs ont besoin d’un modèle 3D créé à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) et d’un fichier de trajectoire de mouvement provenant d’un slicer. L’écriture directe à l’encre peut traiter presque tous les matériaux, à condition que l’encre présente le bon comportement rhéologique, à savoir une limite d’élasticité appropriée sous cisaillement et compression, ainsi que des propriétés viscoélastiques adaptées. Ainsi, le DIW permet d’imprimer une large gamme d’encres dans des structures 3D complexes avec des motifs haute résolution, une flexibilité architecturale et des caractéristiques matérielles sur mesure. Cela la distingue d’autres technologies de fabrication additive telles que le FDM et le SLA, qui sont limitées par la classe de matériaux. De plus, le DIW est polyvalent grâce à sa capacité à utiliser plusieurs buses pour créer des structures multimatières.

Dans le Direct ink writing, la pression appliquée force les encres liquides à passer à travers une buse, et cette pression peut modifier la viscosité de l’encre. C’est là une distinction essentielle du DIW : au lieu d’utiliser la chaleur, il imprime les encres à température ambiante, ce qui signifie que les propriétés rhéologiques de l’encre sont cruciales. Après être sortie de la buse et avant son dépôt final, l’encre n’est pas complètement au repos. Au contraire, le matériau se courbe et s’étire en fonction du rapport entre le taux d’extrusion et la vitesse des mouvements de la tête d’impression. Une fois déposée, l’encre se solidifie soit naturellement, soit par des processus externes tels que l’évaporation, les changements de phase, le traitement thermique ou la gélification.

Les chercheurs ont expérimenté de nombreux types de matériaux pour le DIW, notamment des polymères, des céramiques, du ciment, du graphène, du verre, des cires, des hydrogels, des alliages et des métaux purs, et même des aliments. Cependant, ces matériaux doivent être transformés en encres viscoélastiques à base de gel qui possèdent un comportement de fluidification par cisaillement. La viscosité typique d’une encre DIW se situe entre 102 et 106 millipascals s à un taux de cisaillement d’environ 0,1 s-1. Cela signifie que sous contrainte de cisaillement, la viscosité diminue, rendant l’encre imprimable via DIW. Ensuite, en fonction du matériau et de l’application, différentes étapes de post-traitement suivront.

Avantages et limites du Direct ink writing

Comme mentionné précédemment, ce procédé se distingue par sa capacité à traiter une large gamme de matériaux, à condition d’obtenir la rhéologie adéquate. Cependant, cette même caractéristique implique que tout nouveau matériau doit être soigneusement formulé afin de répondre à des exigences rhéologiques strictes, ce qui peut ralentir l’adoption de nouveaux systèmes.

De plus, comme cette technologie offre la possibilité d’extruder à température ambiante, elle est pratique pour travailler avec des composés sensibles à la chaleur. Elle permet également de surmonter les restrictions des autres méthodes d’extrusion, qui reposent sur des températures élevées. Malgré tout, l’impression reste relativement lente et la qualité de la connexion entre les couches peut être compromise lorsque la vitesse est augmentée. Il peut donc être difficile de trouver un équilibre entre efficacité et performance structurelle.

Le DIW offre une grande liberté en termes de configuration de la machine, car elle peut être modifiée à l’aide de composants abordables et facilement adaptée à différentes applications. Cette flexibilité matérielle est remarquable, mais la technique reste principalement limitée à la fabrication à petite échelle et aux environnements de recherche, car son taux de production et sa résolution ne répondent pas aux normes requises pour les processus industriels à grand volume.

Une autre caractéristique intéressante du procédé est sa capacité à générer des géométries complexes, allant des structures autoportantes aux formes libres qui ne nécessitent pas de moules ou de supports supplémentaires. Cependant, lorsqu’on cherche à se développer verticalement ou à produire de longs porte-à-faux, le poids de la pièce elle-même peut provoquer une déformation ou une défaillance, en particulier dans les grandes structures.

Les applications clés

Compte tenu de la grande diversité des matériaux pouvant être utilisés pour le DIW, cette technique offre un large éventail d’applications. Parmi les plus courantes, on peut citer le stockage d’énergie, les dispositifs optiques et photoniques, ainsi que le génie biomédical et tissulaire.

Dans le domaine du stockage d’énergie, le DIW a été utilisé pour fabriquer des dispositifs de stockage d’énergie électrochimique (EES), tels que des batteries lithium-ion et des supercondensateurs. La technologie permet de créer des structures à l’échelle micro/nano qui offrent des performances électrochimiques exceptionnelles en permettant aux électrons et aux ions de se déplacer plus efficacement à travers la structure poreuse. Elle peut être utilisée pour créer des dispositifs à haute conductivité et à surface spécifique élevée, ce qui est particulièrement intéressant pour les composants et dispositifs électroniques.

Dans le domaine médical, les chercheurs ont créé des échafaudages biodégradables, des élastomères extensibles à mémoire de forme et auto-cicatrisants, des robots souples, des dispositifs portables, etc. L’une des applications les plus prometteuses du DIW est l’utilisation d’hydrogels pour imiter les tissus biologiques. De nombreux hydrogels sont biocompatibles, ce qui les rend adaptés à l’interaction avec les cellules et les tissus vivants. Les hydrogels peuvent également contenir des molécules bioactives, des facteurs de croissance, des produits pharmaceutiques ou même des cellules vivantes, ce qui leur permet d’administrer des médicaments de manière ciblée ou de régénérer des tissus. Grâce à la précision garantie par le DIW, cette technologie peut également être utilisée pour créer des dispositifs « organ-on-a-chip » (organes sur puce) et des systèmes microfluidiques. En reproduisant les microenvironnements tissulaires, ces structures peuvent faciliter l’étude des réponses aux médicaments et de la progression des maladies de manière contrôlée et reproductible.

Au-delà des applications médicales et électriques, le DIW a été utilisé dans tous les domaines, de la robotique souple à l’ingénierie alimentaire et structurelle.

Fabricants et prix

Contrairement aux autres technologies de fabrication additive établies, l’écosystème de l’écriture directe à l’encre se caractérise par une combinaison de startups et de plateformes créées dans des environnements universitaires. Parmi les fabricants les plus importants figure Avay, une entreprise indienne dont les machines sont destinées au dépôt d’encres conductrices et d’autres matériaux isolants. La société polonaise Sygnis propose des systèmes destinés à la recherche sur les matériaux, à l’électronique flexible et à la robotique. L’une de ses imprimantes les plus populaires, la SYGNIS F-NIS, est commercialisée entre 10 759 et 13 350 dollars. MakerPi est une autre marque notable. Cette société chinoise propose des imprimantes axées sur l’impression multi-matériaux avec des bio-encres et des gels pour les laboratoires biomédicaux, au prix d’environ 68 500 dollars.

Parallèlement à ces fabricants, il existe des plateformes open source à bas prix telles que Printess, conçues pour démocratiser l’impression DIW et l’utiliser dans la bio-impression, la robotique souple ou des projets éducatifs. De son côté, la startup espagnole PowerDIW, une spin-off du centre technologique CIM UPC, a développé la plateforme PowerDIW, un système hybride conçu pour la céramique, les polymères et les matériaux fonctionnels dans le cadre de projets de R&D avancés.

Les imprimantes Direct ink writing se distinguent généralement par leur coût relativement faible et la simplicité de leurs mécanismes d’extrusion par rapport aux technologies d’impression 3D plus complexes. Au-delà des fabricants mentionnés ici, il est important de noter que la plupart des systèmes d’écriture directe à l’encre sont adaptés à des applications spécifiques. En d’autres termes, les centres de recherche et les laboratoires développent ou personnalisent souvent leurs plateformes afin de répondre à leurs besoins particuliers, ce qui explique pourquoi il existe moins de marques commerciales que dans d’autres secteurs de l’impression 3D.

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*Crédits photo de couverture : Voltera