Impression 3D et agriculture : de nouvelles perspectives pour le secteur agricole
L’agriculture est en constante évolution. Tout au long de l’histoire, ce secteur a été stimulé par des avancées technologiques qui ont principalement permis d’accroître la productivité et d’améliorer la qualité des aliments. Cependant, l’agriculture est confrontée à de nouveaux défis tels que le changement climatique ou la forte demande de produits. C’est pourquoi la recherche de solutions innovantes est plus urgente que jamais. Des études et des projets récents ont montré que la fabrication additive pourrait être une technologie connexe. Pour tenter de mieux comprendre et appréhender le rôle de l’impression 3D dans l’agriculture, nous allons nous pencher sur cette synergie. Bien qu’il ne s’agisse pas encore d’une technologie largement mise en œuvre dans les pratiques agricoles, certaines applications spécialisées ont ouvert la voie à de nouvelles possibilités. C’est pourquoi, à cette occasion, nous essaierons de comprendre les avantages que la fabrication additive a apportés à des pratiques qui ont une influence directe, comme l’apiculture, et les lacunes qui doivent encore être comblées.
L’agriculture est une activité qui a été à la base de grandes civilisations, avant même la science et l’écriture. Les pratiques agricoles accompagnent l’humanité depuis environ 12 000 ans et depuis son apparition, l’agriculture a révolutionné l’histoire en transformant les modes de vie. Comme on le sait, l’activité consistant à cultiver sa propre nourriture a conduit à la sédentarisation, qui a elle-même conduit à la fondation de sociétés. L’importance de l’agriculture n’a pas changé depuis des milliers d’années, car il s’agit d’une activité stratégique pour le développement autonome et la richesse des pays. Selon les données de l’Organisation des Nations unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), 1,23 milliard de personnes travaillent dans les systèmes agroalimentaires. Ces données ont été obtenues dans le cadre d’une étude réalisée en 2019 qui a également montré que près de la moitié de la population mondiale vivait dans des ménages liés à ces systèmes agroalimentaires.
L’agriculture est un secteur stratégique qui fournit de la nourriture aux 8,2 milliards d’habitants de la planète et des matières premières à divers secteurs économiques.
Pendant de nombreux siècles, les tâches agricoles étaient profondément ancrées dans le travail manuel. Après la révolution industrielle, les activités agricoles ont changé presque complètement avec l’introduction de machines qui ont rationalisé le travail manuel. Dès la fin du XIXe siècle et au cours du XXe siècle, l’utilisation de machines telles que les tracteurs, les moissonneuses-batteuses et les charrues est devenue essentielle. Ces dernières années, l’agriculture a franchi une nouvelle étape en intégrant les technologies de l’information dans ses activités et le terme Agri-Tech est apparu. Ce dernier correspond à l’utilisation de technologies telles que les véhicules, les drones, les satellites, la robotique, les scanners, les ordinateurs, les logiciels, etc. afin d’optimiser la production agricole. Nous allons donc nous pencher sur cette introduction, et plus particulièrement sur l’utilisation de la fabrication additive dans le secteur agricole et voir en quoi elle l’a bouleversé.
Quelles sont les applications de l’impression 3D dans l’agriculture ?
Lorsque l’on s’interroge sur les applications de l’impression 3D dans l’agriculture, on peut penser à des exemples tels que la fabrication d’outils, de pièces détachées ou l’utilisation dans la production de tracteurs. Cependant, il existe de nombreux autres développements, projets de recherche et applications concrètes qui ont intégré l’impression 3D. S’il est vrai que la technologie n’a pas encore été pleinement mise en œuvre dans l’agriculture, comme elle l’a été dans la médecine ou l’industrie automobile, nous montrerons dans cet article qu’elle est en bonne voie. Pour ce faire, nous commencerons par les applications les plus importantes.
Production de machines par des procédés additifs
La fabrication additive s’est imposée dans les secteurs de l’automobile et des transports, et des utilisations similaires ont été observées dans la fabrication de machines agricoles. Par exemple, en 2022, le célèbre fabricant John Deere a produit plus de 4 000 pièces à l’aide de la fabrication additive en un an. Il s’agissait de sa première étape dans la mise en œuvre de la fabrication additive dans son centre spécialisé de Mannheim, en Allemagne. Un cas plus local est celui de la société espagnole Teyme, qui utilise la technologie Multi Jet Fusion de HP pour fabriquer des composants tels que des adaptateurs de sortie d’air, des positionneurs de lames d’air, etc. Ces pièces sont incluses dans les machines agricoles qu’elle produit.
Vaporisateur Teyme dont les pièces ont été créées à l’aide de la technologie Multi Jet Fusion (crédits photo : Teyme)
Développement d’outils personnalisés
L’impression 3D permet de prototyper rapidement et à moindre coût des outils et des composants spécifiques aux besoins de l’agriculture. Par exemple, des pièces de machines et du matériel d’irrigation qui peuvent être adaptés aux conditions particulières de chaque agriculteur. Il peut même s’agir de pièces de rechange pour des machines spécifiques, par exemple des outils qui ne sont plus fabriqués, mais dont on a toujours besoin. De plus, la production de ces outils sur place évite le déplacement de l’agriculteur et les temps d’attente qui pourraient interrompre l’activité agricole. Enfin, une démocratisation de la fabrication additive peut permettre aux petites comme aux grandes exploitations agricoles d’utiliser la technologie et d’en tirer profit.
Fabrication de capteurs et de dispositifs IoT
Les capteurs et dispositifs de l’internet des objets (IoT) destinés à surveiller les conditions du sol, des facteurs tels que l’humidité, le vent et les conditions météorologiques, peuvent être imprimés en 3D. Ils sont intégrés dans des systèmes agricoles intelligents afin d’améliorer la prise de décision concernant les cultures.
Fabrication additive de drones et de robots
Certains drones et robots agricoles ont été imprimés en 3D. Ils ont marqué une étape importante dans la mise en œuvre des technologies d’automatisation sur le terrain. Ces dernières années, il a été démontré que ces appareils peuvent effectuer des tâches telles que la surveillance des cultures, l’ensemencement et l’application précise d’engrais et de pesticides. La société italienne Soleon, spécialisée dans les applications aériennes sans pilote et les drones, a fait appel aux services de fabrication additive de Materialise pour créer le Soleon Dis-co. S’attaquant au problème de la pyrale du maïs, un ravageur qui peut anéantir une grande partie des récoltes, Soleon et Materialise ont conçu un système d’administration de pesticides. Cependant, ils ont utilisé des œufs de trichogramme, une espèce de guêpe qui se nourrit de la pyrale du maïs, ce qui a permis de trouver une solution naturelle. Dans ce cas, le drone a été imprimé en PA12 via le procédé SLS.
Le drone imprimé en 3D de l’entreprise italienne Soleon pour la lutte contre les parasites (crédits photo : Soleon)
Production de récipients biodégradables pour les graines et les semis
L’impression 3D peut également être utilisée pour créer des conteneurs ou des pots biodégradables pour les graines ou les semis, ce qui facilite la plantation et réduit l’impact sur l’environnement.
Production de composants d’irrigation
Les systèmes d’irrigation peuvent être améliorés en concevant des composants spécifiques pour l’impression 3D. Par exemple, des buses et des connecteurs, qui optimisent la distribution de l’eau et réduisent les déchets.
Fabrication additive de dispositifs de lutte contre les nuisibles
En commençant par les pièges à insectes, la fabrication additive permet de concevoir et de fabriquer des pièges spécifiques pour différents types de nuisibles. Ces pièges peuvent être optimisés pour attirer et capturer les insectes. Ensuite, nous pouvons trouver des applications dans les dispositifs de libération de phéromones, qui sont des produits chimiques destinés à attirer ou à repousser les insectes. Ils peuvent être créés par impression 3D et conçus pour une dispersion contrôlée.
Culture horizontale
Une autre application de la fabrication additive concerne la production de cultures horizontales pour les petits espaces. L’entreprise italienne Hexagro est un spécialiste de cette application. Elle utilise des procédés d’impression 3D pour créer des structures modulaires et personnalisables, qui peuvent être adaptées aux besoins spécifiques de chaque espace et de chaque type de culture. Cela comprend la fabrication de plateaux, de supports et de canaux d’irrigation avec des conceptions optimisées pour la croissance des plantes et une gestion efficace de l’eau et des nutriments. La capacité à produire rapidement des composants personnalisés réduit considérablement les coûts et les délais de développement, ce qui permet à Hexagro d’innover et d’améliorer continuellement ses systèmes de culture.
Culture horizontale imprimée en 3D avec connecteurs (crédits photo : Hexagro)
La recherche scientifique et le rôle de l’impression 3D
La recherche dans le domaine de l’agriculture a connu une évolution significative ces dernières années, sous l’impulsion d’avancées technologiques qui redéfinissent les pratiques traditionnelles. Parmi ces innovations, l’impression 3D apparaît comme un outil révolutionnaire susceptible de contribuer à définir l’agriculture moderne. La convergence de la fabrication additive et de l’agriculture promet de marquer une nouvelle ère dans la manière dont les ressources agricoles sont cultivées et gérées.
Progrès dans les matériaux pour l’agriculture
Les thermoplastiques sont largement utilisés dans l’agriculture. Cependant, les déchets qu’ils entrainent ont un impact direct sur la santé des sols et affectent la biodiversité. Pour remédier à ces problèmes, des solutions telles que le « modèle des 6R » (rejet, reconception, réduction, réutilisation, recyclage et récupération) proposé par les Nations unies sont employées, et les agriculteurs sont de plus en plus encouragés à utiliser des solutions de remplacement naturelles ou biodégradables. Des études récentes ont trouvé des alternatives dans des matériaux aux propriétés différentes. Par exemple, une publication datant de 2021 propose l’impression 4D comme principal processus de création de matériaux utiles à l’agriculture. L’étude s’intitule : 4D Printing : Prospects for the production of sustainable plastics for agriculture et est le résultat d’une collaboration entre l’université de Patras, l’université d’agriculture de Grèce et l’institut italien de technologie de Gênes.
L’impression 4D est une évolution de l’impression 3D qui ajoute la dimension du temps. Dans ce cas, les objets imprimés sont fabriqués à partir de matériaux intelligents qui peuvent modifier leur forme ou leurs propriétés en réponse à des stimuli externes, tels que la chaleur, la lumière, l’eau ou le mouvement. Si l’impression 4D est principalement utilisée dans des domaines tels que la médecine, les applications dans l’agriculture sont mineures, voire inexistantes. Les recherches de l’équipe montrent que si l’impression 4D était appliquée à l’agriculture, il serait possible d’accroître la biodégradabilité et les avantages environnementaux, économiques et de production des plastiques dans l’agriculture. Mais le principal obstacle à une utilisation plus large est la nouveauté du processus d’impression 4D.
L’impression 4D offre la possibilité d’accroître la biodégradabilité des plastiques dans l’agriculture
Qu’apporterait l’impression 4D ? Certains matériaux à mémoire de forme possèdent des caractéristiques telles que la résistance à la chaleur, la magnétorésistance, la sensibilité au pH et à la pression osmotique qui les rendent idéaux en raison de leur comportement intelligent. Parmi les applications mentionnées par l’équipe de recherche figurent les emballages alimentaires, les paillis agricoles, les filets d’ombrage ou les couvertures de serre en plastique. Étant donné que la technologie FDM a permis de manipuler le PLA et d’autres polymères avec un effet d’auto-formation et de mémoire, il est possible que cette technique relativement « simple » permette la création d’outils efficaces, évolutifs et abordables dans la pratique. D’autres techniques, telles que celles basées sur la stéréolithographie, ont également montré leur potentiel dans les applications agricoles.
L’impression 3D dans l’étude des sols
Le sol est l’un des éléments clés, sinon le plus important, de la pratique agricole. Son étude est fondamentale pour comprendre l’impact de l’activité humaine et l’effet des caractéristiques hydrauliques, chimiques et microbiologiques. Dans une étude publiée en 2020 et réalisée par l’Université de Padoue en Italie, la structure du sol a été reproduite afin de comprendre son fonctionnement. Pour ce faire, ils ont eu recours à la microtomographie à rayons X, dont ils ont extrait les données et imprimé la structure du sol en résine à l’aide de l’imprimante ProJet 3510 HD de 3D Systems, une machine fonctionnant par jet de matière. Grâce à ces modèles imprimés en 3D, la structure originale des échantillons de sol, y compris la porosité et la forme des pores, a pu être reconstituée. Bien que la conductivité entre les pores ait été réduite en raison de limitations techniques lors de l’impression, l’équipe a pu mesurer la conductivité hydraulique de la plupart des prototypes, montrant une bonne corrélation. Cette étude a contribué à repousser les frontières de l’étude des sciences du sol.
Impressions 3D de tests de différents sols (crédits photo : European Journal of Soil Science)
Un autre exemple d’utilisation de la fabrication additive pour la recherche sur les sols figure dans une publication de 2021 réalisée par une équipe multidisciplinaire de l’université de Virginie aux États-Unis. L’étude s’intitule : 3D printing of biologically active soil structures, et analyse les possibilités d’imprimer en 3D des structures de sol dans lesquelles germeraient des graines. Pour ce faire, ils ont imprimé des structures de sol sans additifs en utilisant des méthodes d’extrusion. Les résultats ont montré que lorsque la teneur en eau est correctement contrôlée, les structures imprimées sont capables de favoriser la germination et la croissance des plantes, même si elles aient besoin de beaucoup d’eau. Bien que la recherche se concentre sur la démonstration de la viabilité des « toits verts », le même principe pourrait être appliqué à la plantation d’herbes telles que la coriandre, la menthe, le persil, le basilic, etc.
Des « murs vivants » imprimés en 3D montrent la croissance de la végétation après 144 heures (crédits photo : Université de Virginie)
Phénotypage des plantes
Le phénotypage en agriculture est un processus d’observation et d’analyse des plantes qui permet de faire des prévisions sur leur état dans un espace donné. Plus précisément, le phénotypage est le résultat de l’interaction entre l’information génétique d’une plante et l’environnement et permet de mieux comprendre sa croissance, son développement et sa réaction à ces conditions environnementales. Une étude publiée en 2024 a posé un jalon dans l’utilisation de la fabrication additive pour le phénotypage des plantes. Une collaboration entre l’Institut de recherche sur la betterave sucrière (IFZ) et l’Université de Bonn a abouti à un modèle de plante imprimé en 3D pour un phénotypage précis et fiable.
Afin de disposer d’un outil de référence pendant le processus de collecte des données et d’extraction des paramètres, les scientifiques ont développé un modèle de plante de betterave sucrière imprimé en 3D à l’aide de la technologie FDM. Cette étude innovante a été menée par un doctorant de l’IFZ. Jonas Bömer a souligné l’importance de ce modèle : « L’impression 3D nous a permis de créer un outil de référence rentable pour garantir l’intégrité des données collectées ».
Cette recherche a également fait un usage intensif de la numérisation 3D pour la collecte de données. En effet, la numérisation 3D permet de créer des modèles numériques à haute résolution des cultures, ce qui facilite le suivi de leur croissance et de leur développement et permet de détecter à temps les problèmes potentiels. Jonas Bömer explique : « En analysant le sol, les agriculteurs peuvent améliorer la gestion du sol et mettre en œuvre des mesures pour prévenir l’érosion. L’interaction des robots avec les cultures est un autre problème qui peut être résolu grâce à l’interprétation des informations relatives à la profondeur. Un exemple est la récolte des fruits dans les serres automatisées, qui réduit et simplifie les tâches de récolte à forte intensité de main-d’œuvre. »
Le modèle de référence imprimé en 3D pour la betterave sucrière (crédits photo : GigaScience)
L’impression 3D en apiculture
L’apiculture et l’agriculture sont des activités étroitement liées. L’apiculture joue un rôle crucial dans l’agriculture en raison de sa contribution essentielle au processus de pollinisation, un mécanisme vital pour la reproduction de nombreuses plantes et cultures. Selon les données de la FAO, les espèces pollinisatrices influencent directement 35 % de la production agricole mondiale et 75 % indirectement. Outre les 200 000 espèces qui contribuent à la pollinisation, les 20 000 espèces d’abeilles sont les pollinisateurs par excellence. L’interdépendance entre les abeilles et les plantes cultivées souligne non seulement la nécessité de préserver et de soutenir les pratiques apicoles, mais aussi de protéger les abeilles. Les menaces telles que les pesticides, les maladies et la perte d’habitat retardent la durabilité et la productivité de l’agriculture au niveau mondial.
Pour résoudre certains des problèmes qui nuisent aux espèces d’abeilles, les apiculteurs ont trouvé des solutions avec l’aide de la fabrication additive. Par exemple, un étudiant en master au Mexique a récemment mis au point une ruche imprimée en résine pour stimuler la production de miel par les abeilles. Il convient également de mentionner la fondation LACRIMA, au Royaume-Uni, qui imprime en 3D des ruches en bois pour protéger les colonies. Ses ruches LacriNest sont imprimées à l’aide d’un processus d’extrusion de matériaux et offrent aux abeilles un écosystème naturel et non perturbé.
« Les conditions améliorées fournies par nos ruches imprimées en 3D ont permis d’obtenir des colonies d’abeilles en meilleure santé. Il en résulte une amélioration significative de la productivité agricole dans les régions où nos ruches sont utilisées ». Vince Moucha pour 3Dnatives (crédits photo : LACRIMA)
Vince Moucha, fondateur et président de la fondation, a déclaré à l’occasion d’une interview accordée à nos équipes: « Nos ruches imprimées en 3D utilisent un matériau spécial entièrement biodégradable, un composite à base de bois, qui les distingue des ruches traditionnelles et des autres solutions imprimées en 3D. Ce matériau et la conception de notre ruche en bois assurent non seulement la durabilité environnementale, mais aussi une excellente isolation et une grande durabilité, créant ainsi un environnement optimal pour les abeilles, améliorant leur santé et leur productivité.«
Comme l’ont montré plusieurs études menées dans le monde entier, les abeilles sont en danger en raison de l’utilisation intensive de pesticides, de la destruction de leur habitat et des effets du changement climatique, entre autres. Le déclin des abeilles n’affecte pas seulement la production de miel et d’autres produits apicoles, mais compromet également la pollinisation d’une grande variété de cultures. Ce problème n’est pas récent, les premiers signes d’alerte sont apparus au siècle dernier. L’une des solutions trouvées est précisément la fabrication de ruches pour leur fournir un habitat de nidification.
Ruche en bois imprimée en 3D (crédits photo : LACRIMA)
Le fondateur de LACRIMA ajoute : « Les ruches imprimées en 3D peuvent être intégrées dans des pratiques agricoles durables en encourageant la production locale, en réduisant les émissions dues au transport et en utilisant des matériaux recyclables. Elles peuvent également faire partie des systèmes de lutte intégrée contre les parasites, réduisant ainsi le besoin de traitements chimiques.«
Quel est l’avenir de l’impression 3D dans l’agriculture ?
Les projets mentionnés, les applications, les avantages identifiés et les résultats déjà observés confirment que l’impression 3D a un potentiel de développement dans l’agriculture. Dans une certaine mesure, cette technologie n’en est qu’à ses débuts dans le secteur agricole. Cependant, les projets évoqués ici confirment que son potentiel est vaste et prometteur.
Sachant que l’agriculture est une activité très ancienne et que ses pratiques sont non seulement ancrées dans des techniques spécifiques mais aussi dans des traditions, on peut se demander si une technologie aussi innovante que la fabrication additive a sa place dans l’agriculture ? Car si les pratiques traditionnelles sont préservées sur le terrain, c’est qu’il y a une raison, n’est-ce pas ? En réalité, le secteur agricole ne manque jamais une occasion d’innover. Si l’utilisation de l’impression 3D en particulier n’est pas encore très répandue, d’autres technologies ont été exploitées.
Pour l’instant, les avancées les plus notables se situent au niveau de la recherche scientifique. Les experts, en plus de se concentrer sur un sujet, cherchent des solutions aux problèmes actuels. Les exemples de recherche mentionnés ici ne sont que quelques-uns des nombreux autres qui doivent exister dans les pays où le secteur est plus important, comme en Chine. À mesure que la technologie continue de se développer et que la recherche trouve de nouvelles solutions grâce à la fabrication additive, nous nous attendons à une adoption plus généralisée et à des innovations encore plus perturbatrices.
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