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Quel avenir pour la technologie de micro-impression 3D ?

Publié le 20 avril 2020 par Mélanie R.
micro-impression 3D

La microfabrication est le processus de fabrication de structures miniatures à l’échelle du micromètre et en dessous. Historiquement, elle a d’abord été utilisée dans l’industrie électronique pour miniaturiser la taille des appareils – vous avez peut-être remarqué qu’au fil des années, vos appareils sont devenus de plus en plus petits et esthétiques. La taille des composants, qui était de l’ordre de quelques dizaines de micromètres, est passée à des micromètres à un seul chiffre, puis à des centaines de nanomètres, descendant ensuite à quelques dizaines de nanomètres, comme c’est le cas aujourd’hui. En conséquence, ce que l’on appelait autrefois la microfabrication a été rebaptisé nanofabrication, bien que les principes directeurs soient restés essentiellement les mêmes. Pour relever le défi de la réduction de la taille des composants dans l’industrie électronique, de nouveaux outils et techniques sont constamment développés. L’une de ces techniques est la micro-impression 3D ou une impression à micro-échelle. Quelles sont donc les applications rendues possibles par la fabrication additive à micro-échelle ? Et plus généralement, quels sont ses avantages ?

Tout d’abord, notons que dans le monde de la fabrication additive, l’industrie électronique est l’une des moins bien maîtrisées de la technologie. Si l’on considère que l’aérospatiale a été l’un des premiers secteurs à adopter et à développer l’impression 3D, l’électronique est essentiellement l’inverse. Néanmoins, la fabrication additive peut apporter des avantages et de nouvelles capacités à ce secteur en permettant un nouveau niveau de personnalisation pour les composants à l’échelle micro et nanométrique. En effet, la micro-impression 3D a d’abord été développée au profit de l’industrie électronique, mais aujourd’hui la technologie dépasse ce domaine. Par exemple, la technique pourrait être utilisée pour des applications médicales, où des composants de taille nanométrique pourraient pénétrer dans le corps pour guérir des maladies, ou pour des éléments micro-optiques. Nous chercherons donc à comprendre la relation entre la fabrication additive et la micro/nano fabrication pour vous donner un aperçu de l’état actuel de cette technologie et de ses applications dans et au-delà des secteurs de l’électronique.

microscale 3d printing

Pour relever le défi permanent de la réduction de la taille des composants en microélectronique, de nouveaux outils et techniques sont constamment développés, le principal moteur de cette technologie étant les circuits intégrés

La technologie derrière la micro-impression 3D

La principale technologie qui se cache derrière la micro-impression 3D est connue sous le nom de micro-stéréolithographie. Celle-ci est basée sur un principe de fabrication très similaire à celui de la stéréolithographie (SLA) – la première technologie d’impression 3D à avoir été brevetée – mais elle intègre quelques améliorations qui permettent d’obtenir une bien meilleure résolution (jusqu’à quelques micromètres). Elle repose sur la polymérisation d’un matériau photosensible par une lumière ultraviolette.

Dans le domaine de l’électronique, la technologie doit être capable de créer des structures à la fois conductrices et isolantes, un défi de taille. Nano Dimension, l’un des principaux fabricants de composants électroniques imprimés en 3D, a développé une technologie d’impression 3D de jet de matière qui repose sur l’utilisation de nano-encres. Également basée sur la photopolymérisation, une tête d’impression dépose des nanoparticules diélectriques, des nanoparticules conductrices et des polymères sur le plateau d’impression, qui sont alors durcis par la lumière UV entre les couches successives. D’autre part, Optomec, une autre entreprise leader dans le domaine de l’électronique imprimée en 3D, a développé un procédé par jet d’aérosol, qui fonctionne par dépôt d’un flux étroit d’encres électroniques aussi petites que 10 µm.

microscale 3d printing

Le circuit imprimé suivant est multicouche, ce qui signifie qu’il contient plusieurs couches de traces conductrices au lieu d’en avoir seulement une (crédits photo : Nano Dimension)

En ce qui concerne les métaux, la micro-stéréolithographie ne convient plus. Le microfrittage laser est une technologie similaire au frittage laser (SLS) qui a été développée pour créer des microstructures métalliques imprimées en 3D, et est utilisée par des acteurs tels que 3D MicroPrint, basé en Allemagne. Exaddon, d’autre part, s’appuie sur un procédé qui pourrait être comparé au dépôt de matière sous énergie concentrée (DED), qu’ils appellent dépôt électrochimique. Une micro-buse dépose un liquide d’ions métalliques, qui est transformé par un processus électrolytique (charge électrique) en atomes solides.

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Fabriquer des bobines d’un diamètre inférieur à 300 micromètres est un défi complexe qui ne peut être relevé par les méthodes conventionnelles. Les bobines de cuivre suivantes ont été imprimées en 3D par Exaddon en collaboration avec la Harvard Medical School  (crédits photo : Exaddon)

Quant à l’impression 3D à l’échelle nanométrique, la technologie est appelée lithographie multiphoton (MPL), plus connue sous le nom de polymérisation à deux photons (2PP). Elle utilise, comme son nom l’indique, l’absorption à deux photons de lasers de haute intensité tels que la lumière proche infrarouge (NIR). Ces lasers à haute intensité peuvent créer des résolutions allant jusqu’à 50 nm (0,05 µm). Ces pièces étant si minuscules, leur création prend en fait plus de temps qu’on ne pourrait le penser. En effet, le processus est long parce qu’il polymérise de très petites zones, une étape qu’il est difficile d’accélérer sans perdre de la précision. Pour vous donner une idée, l’œil nu peut voir des objets aussi petits que 0,1 mm, soit environ 100 micromètres (µm). Par conséquent, vous seriez incapable de voir la plupart des structures que la polymérisation à deux photons (2PP) est capable de créer.

Des chercheurs de plusieurs universités du monde entier étudient les capacités de la 2PP. Récemment, à l’université chinoise de Hong Kong (CUHK), en collaboration avec le Lawrence Livermore National Laboratory, des chercheurs ont travaillé à l’amélioration de cette technologie. Sourabh Saha, responsable de ce projet de recherche, explique : « Traditionnellement, il y a des compromis entre la vitesse et la résolution. Si vous voulez un processus plus rapide, vous perdez en résolution. Nous avons rompu ce compromis technique, ce qui nous permet d’imprimer mille fois plus vite avec les plus petites caractéristiques« . Pour l’essentiel, les chercheurs remplacent le singulier laser à haute intensité par un champ de lumière pour accélérer le processus.

Ce château mesure 230 µm x 250 µm x 360 µm, et a été imprimé en 3D sur un crayon en utilisant des crédits la technologie 2PP (crédits photo : TU Wien)

Les applications de la micro-impression 3D

L’industrie électronique

Dans le domaine de l’électronique, la micro-impression 3D peut améliorer les performances, les fonctionnalités et accroître la miniaturisation des appareils. Pour les ingénieurs, l’un des défis de l’innovation dans ce domaine consiste souvent à créer des prototypes pour tester la forme ou l’encastrement de l’électronique afin de vérifier la conception de nouveaux produits. En réalisant des prototypes en interne plutôt qu’en sous-traitance, les fabricants peuvent bénéficier de délais d’exécution plus courts, d’une plus grande souplesse de conception, d’une personnalisation et d’une chaîne d’approvisionnement simplifiée. La micro-impression 3D peut être utilisée pour créer de nouvelles conceptions pour des dispositifs tels que l’électronique embarquée, les électroaimants, les MIDS (Molded Interconnect Devices), les antennes, les capteurs et les PCB (Printed Circuit Boards) multicouches.

Le PDG de Nano Dimension, Amit Dror, explique que de nombreux secteurs bénéficieront de cette technologie au-delà des applications de prototypage : « Aujourd’hui, le besoin le plus important de solutions AME (additive manufacturing electronics) vient des industries de l’aérospatiale et de la défense, où le besoin de pièces de faible volume et à haute teneur en mélange est évident. À l’avenir, nous pouvons nous attendre à une production à l’échelle industrielle dans le secteur de l’automobile et des biens de consommation électroniques. »

Un circuit imprimé en 3D par Nano Dimension

L’électronique imprimée en 3D a de fortes chances de suivre le même chemin que les premiers adeptes de cette technologie. Au fur et à mesure que la technologie mûrit et que de nouveaux acteurs entrent sur le marché, l’impression 3D des produits électroniques pourrait éventuellement passer du stade de simple outil de prototypage à celui de production de masse. Pour vous donner une idée, Optomec explique que sa technologie Aerosol Jet est capable d’imprimer en 3D 5 000 circuits intégrés de taille 25 à 50 µm par heure, et que la production peut être portée à 10 000 par heure avec l’introduction d’une buse supplémentaire. En d’autres termes, l’entreprise promet déjà que sa technologie est évolutive pour supporter une production en grand volume.

Les autres applications

Bien sûr, la possibilité d’imprimer des structures aussi petites présente d’autres avantages. De nombreuses startups comme Microfabrica, Nanoscribe, Boston Micro Fabrication ou MicroLight3D ont développé des micro-technologies qui peuvent être utilisées pour produire des dispositifs médicaux. Par exemple, les professionnels de santé cherchent à réduire au minimum les dommages collatéraux causés aux tissus lors d’une opération. C’est pourquoi la miniaturisation des dispositifs médicaux est essentielle. Toujours dans le secteur médical, Nanoscribe explique que les utilisateurs peuvent fabriquer des échafaudages 3D pour étudier la croissance, la migration ou la différenciation des cellules souches sur des structures biomimétiques en utilisant sa technologie 2PP. La startup utilise également le 2PP pour toute une série d’autres applications telles que la réfraction, la diffraction et la micro-optique.

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Des outils présentant une précision micrométrique grâce à la micro-impression 3D métal  (crédits photo : Microfabrica)

Quel est l’avenir de cette branche de la fabrication additive ?

À l’avenir, les applications possibles comprennent la production de capteurs portables ou intégrés pour la surveillance de la santé en temps réel. Ces capteurs imprimés en 3D pourraient aussi être intégrés dans des lentilles pour permettre des applications de réalité augmentée, tandis que des composants électroniques imprimés en 3D pourraient être vus dans des objets allant des smartphones aux voitures, ajoutant des fonctionnalités tout en les rendant plus légers. Certaines limites subsistent toutefois comme toute la partie logicielle : les solutions actuelles qui permettent de développer des modèles 3D aussi petits sont encore peu nombreuses. Il en va de même pour les matériaux qui restent limités.

Pour conclure, il est assez évident que l’adoption plus large de la micro-impression 3D rencontrera les mêmes obstacles que les autres technologies de fabrication additive. John Kawola, PDG de Boston Micro Fabrication, nous a confié : « Nous ne pensons pas que les défis de l’adoption plus large de la micro-impression 3D soient différents de ceux de l’impression 3D en général. L’impression 3D, quelle que soit sa taille, continuera à être précieuse pour l’ingénierie et la conception de prototypes. L’impression 3D à micro-échelle apporte de nouveaux outils aux ingénieurs qui, auparavant, ne pouvaient pas réaliser efficacement des prototypes à cette échelle. En outre, la production de micro pièces est généralement assez coûteuse, ce qui augmente l’intérêt d’envisager l’impression 3D pour la production de pièces finies. »

Que pensez-vous de la micro-impression 3D ? Que peut-elle apporter au secteur plus large de la fabrication additive ? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article ou avec les membres du forum 3Dnatives. Retrouvez toutes nos vidéos sur notre chaîne YouTube ou suivez-nous sur Facebook ou Twitter !

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