Quelles sont les solutions d’impression 3D de verre du marché ?

Le verre est l’un des matériaux les plus anciens qui existent sur Terre, travaillé par l’Homme il y a plus de 100 000 ans. Il était utilisé pour fabriquer des outils et des armes et au fil du temps, ses applications se sont multipliées. Quand on regarde actuellement autour de nous, le verre est partout et existe sous de nombreuses formes. Il existe également beaucoup de variantes qui offrent différentes propriétés et caractéristiques. Mais si le verre est si présent dans nos vies, qu’en est-il de la fabrication additive ? Peut-on imprimer du verre ? La réponse est oui, mais c’est un matériau complexe à utiliser. En effet, travailler avec du verre nécessite des températures de fusion très élevées (environ 1 000° C) et un environnement thermique extrêmement contrôlé et précis. Malgré ces contraintes, quelques acteurs ont développé des imprimantes 3D de verre, capables de produire toutes sortes de pièces. Si certaines sont aujourd’hui disponibles dans le commerce, la plupart reste des projets de recherche. On vous en dit plus !

Les solutions d’impression 3D de verre disponibles

L’imprimante 3D de verre Maple 4

La Maple 4 est une imprimante 3D de verre de bureau développée par Maple Glass Printing, qui allie simplicité et performances avancées. Contrairement à la fabrication traditionnelle du verre, qui nécessite une chaleur extrême et un équipement spécialisé, ce système rend le processus plus accessible et plus efficace. Compacte (736 x 600 x 985 mm) et pesant environ 100 kg, elle fonctionne sur une prise standard de 220-240 V et atteint une température de buse de près de 1 000 °C. Elle dispose d’un volume d’impression de 200 × 200 × 300 mm et peut gérer des impressions à haut débit. Elle peut également produire des pièces en verre détaillées en moins d’une heure. Ses fonctionnalités comprennent l’impression en un clic, le nivellement automatique du plateau, celui-ci étant magnétique, facilitant son utilisation et garantissant des résultats constants.

L’imprimante 3D de verre Maple 4 (crédits photo : Maple Glass Printing)

L’imprimante 3D de verre Nobula

La machine Nobula de la marque Nobula3D est basée sur la technologie Direct Glass Laser Deposition (DGLD), qui, selon l’entreprise, « rend l’impression du verre aussi simple que l’impression du plastique ». L’imprimante peut atteindre une température de 2 200 °C grâce à un chauffage laser sans contact. Elle est très précise et économe en énergie, tout en éliminant le besoin de post-traitement. L’appareil mesure environ 100 × 40 × 60 cm et pèse un peu plus de 50 kg. Le système offre une résolution de 100 à 250 μm et prend en charge des remplissages de 0 à 100 %. Avec des vitesses d’impression allant de 5 à 200 mm par minute, les utilisateurs peuvent produire des structures autonomes avec des détails fins et d’excellentes performances. L’appareil est optimisé pour le verre de silice et compatible avec le logiciel Nobula et les slicers commerciaux. Cette imprimante 3D de verre ouvre la voie à des composants en verre complexes et de haute qualité dans les domaines de la recherche, de la conception et des applications de fabrication avancées.

Un vase et une structure creuse imprimés à l’aide de l’imprimante 3D de verre Nobula avec le filament de verre unique de la société, en instance de brevet.

L’imprimante 3D du MIT

L’institut de recherche américain MIT a sans doute été l’un des premiers à se pencher sur le développement d’une imprimante 3D de verre. Les premiers tests ont démarré en 2015 : un groupe de chercheurs menés par Neri Oxman avait en effet présenté un procédé capable d’extruder couche par couche du verre fondu. Quelques années plus tard, la première version de leur machine a évolué en G3DP2. Il s’agit d’une solution d’impression capable de déposer en continu 30 kilos de verre fondu, intégrant un système de contrôle thermique pour s’assurer de la bonne formation du verre et de sa qualité. La machine peut ainsi concevoir des pièces en verre transparent, quelle que soit l’application recherchée. Aujourd’hui, la G3DP2 n’est pas disponible à l’achat directement, mais la solution est actuellement employée tous les jours par le studio Evenline – vous pouvez d’ailleurs commander des pièces en verre directement sur leur site.

Première version de la G3DP (crédits photo : MIT/Oxman)

L’impression 3D de verre par Glassomer

Glassomer est une entreprise allemande qui s’est spécialisée dans la fabrication additive de verre. Elle ne commercialise pas de machines à proprement parler actuellement, mais propose son expertise pour imprimer en 3D des pièces en verre, plus spécifiquement des prototypes, quelle que soit leur forme. Par exemple, elle peut imprimer différentes conceptions de votre futur bouteille, ou bien des objets décoratifs ou des bijoux. Si Glassomer est capable de proposer ce type de services, c’est parce qu’elle a développé un processus pour créer la matière première. Il s’agit d’un matériau composite – liquide pour l’impression 3D, solide pour l’injection – à base de poudre de verre de silice et d’un liant organique. C’est ce matériau qui sera utilisé en fabrication additive et qui permettra d’obtenir des pièces en verre transparent.

Exemple de bouteille imprimée en 3D (crédits photo : Glassomer)

Les projets de recherche

La fabrication additive du verre à basse température

Une recherche qui mérite d’être soulignée est celle du Lincoln Laboratory du MIT sur la fabrication additive du verre à basse température. Son approche est quelque peu innovante, car le verre est toujours travaillé à très haute température, mais aucune technique similaire n’a été appliquée. Alors, comment ont-ils réussi ? Le processus commence à température ambiante, par écriture directe à l’encre, l’objet est formé couche par couche. Il est ensuite durci dans un bain d’huile minérale chauffé à seulement 250 °C, contre les >1000 °C qui seraient nécessaires avec les procédés classiques. Une fois le traitement thermique terminé, la pièce est rincée avec un solvant inorganique pour éliminer les résidus minéraux, et le tour est joué. Quant au matériau compatible avec ce procédé, il s’agit d’une encre multimatière, également développée par le Lincoln Laboratory, composée d’une solution de silicate et de nanoparticules d’autres inorganiques. L’étude se poursuit, mais les résultats montrent que cette technique peut faciliter l’impression 3D de dispositifs en verre tels que des systèmes microfluidiques, des lentilles optiques et des composants électroniques à haute température.

Verres imprimés à l’aide du procédé à basse température (crédits photo : Lincoln Laboratory)

Impression 3D de verre pour microstructures

Des chercheurs de l’université de Californie à Berkeley, en collaboration avec l’université de Fribourg (Allemagne), ont mis au point une technique permettant d’imprimer en 3D des microstructures en verre. Cette technique repose sur un procédé développé il y a plusieurs années, la lithographie axiale assistée par ordinateur (CAL), à la différence près qu’ils sont désormais capables d’imprimer avec plus de précision, à l’échelle microscopique et avec du verre. Ce nouveau procédé a été baptisé micro-CAL. Il n’imprime pas couche par couche, mais imprime l’objet entier simultanément. Un laser est utilisé pour projeter des motifs lumineux sur un matériau en résine spéciale contenant des nanoparticules de verre entourées d’un liant sensible à la lumière. La lumière solidifie le liant, puis l’objet est chauffé pour éliminer l’excès de liant et fusionner les particules afin d’obtenir un objet solide en verre pur. Pourquoi imprimer des microstructures en verre ? Les chercheurs envisagent plusieurs applications : composants optiques microscopiques, lunettes de réalité virtuelle, microscopes avancés et autres instruments scientifiques.

Modèle de microtubule imprimé en 3D à côté d’un moustique (crédits photo : Adam Lau / Berkley Engineering)

Verre imprimé en 3D par l’ETH Zurich grâce à la technologie SLA

En 2019, des chercheurs de l’ETH Zurich ont démontré que des objets complexes en verre pouvaient être imprimés en 3D, ce qu’ils ont réussi à faire, avant de déposer un brevet. À l’aide de la stéréolithographie et d’une résine combinant des molécules plastiques et organiques liées à des précurseurs de verre, l’équipe a pu créer des structures en verre complexes et hautement poreuses. Plus précisément, ils ont utilisé le DLP et ont découvert que la taille des pores d’un objet pouvait être ajustée en modifiant l’intensité de la lumière. Une fois la résine durcie, les pièces imprimées ont été cuites en deux étapes : d’abord à 600 °C pour brûler la structure polymère, puis à environ 1 000 °C pour densifier la céramique en verre. Bien que ce processus ait entraîné un rétrécissement considérable des objets, le produit final était transparent et dur, similaire au verre à vitre.

L’ébauche (à gauche) est cuite à 600 degrés pour éliminer la structure plastique. L’objet est cuit à nouveau et se transforme en verre (à droite) (crédits photo : Group for Complex Materials / ETH Zurich)

Impression 3D de verre par dépôt à l’université de Notre Dame

Une autre approche innovante de l’impression 3D de verre a été développée par des chercheurs de l’université de Notre Dame. Leur méthode utilise un laser à dioxyde de carbone pour chauffer la surface d’une tige de verre, qui fond ensuite sur un substrat en quartz fondu monté sur une plate-forme CNC à 4 axes. La combinaison de l’interaction du substrat, de la pression exercée par la partie non chauffée du filament, de la gravité et de la tension superficielle permet au verre de se former de manière contrôlée. Grâce à cette technique, l’équipe a pu créer à la fois des motifs 2D et des structures spiralées 3D autonomes.

Les travaux ont progressé lorsque Ed Kinzel, qui a dirigé l’étude de Notre Dame, s’est associé à des collègues de l’Institut de technologie et d’enseignement supérieur de Monterrey, au Mexique. Ensemble, ils sont passés de la production de formes creuses à la réalisation de solides 3D denses et entièrement transparents. Bien que la précision reste un défi, les chercheurs sont optimistes et pensent qu’avec de nouvelles améliorations, des performances encore plus élevées pourront être atteintes.

La méthode d’impression 3D développée par l’université de Notre Dame (crédits photo : Wes Evard/Faculté d’ingénierie, Université de Notre Dame)

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