ValueBioMat et l’impression 3D de composites biosourcés

Aujourd’hui, de plus en plus d’entreprises développent des matériaux composites pour la fabrication additive, permettant de concevoir des pièces plus légères et résistantes. Toutefois, ce sont des matières qui peuvent avoir un impact négatif sur l’environnement, souvent réalisées à partir d’une matrice plastique. C’est pourquoi l’université d’Aalto, en Finlande, mène des recherches pour imaginer de nouveaux matériaux polymères durables d’origine biologique afin de remplacer les plastiques et composites conventionnels d’origine fossile. Ces nouveaux matériaux et leurs techniques de traitement permettront une impression 3D entièrement durable et circulaire dans un avenir proche. Nous avons rencontré Jukka Seppälä, le professeur qui, avec le laboratoire de fabrication additive de l’université, mène des recherches sur ce sujet dans le cadre du projet ValueBioMat.

3DN : Pouvez-vous vous présenter brièvement ainsi que votre lien avec l’impression 3D ?

Je m’appelle Jukka Seppälä et je suis professeur de technologie des polymères à l’université d’Aalto en Finlande. Le profil de mon laboratoire est axé sur la synthèse des polymères et l’ingénierie des réactions polymères. Nous nous intéressons à la compréhension des relations structure/propriété des polymères et à l’adaptation des plastiques pour répondre à des applications importantes et exigeantes. Depuis des années, nous sommes à l’avant-garde du développement de polymères et de plastiques d’origine biologique. Cela nous a également amenés à nous intéresser aux techniques de traitement avancées et émergentes, telles que la fabrication additive. Ces techniques offrent de grandes possibilités de fabriquer des structures optimisées d’une manière nouvelle et économe en matériaux. Ainsi, la fabrication additive, associée à de nouveaux matériaux polymères durables et biosourcés, peut constituer un grand pas vers des solutions matérielles plus durables sur le plan environnemental. À l’université d’Aalto, l’expert en fabrication additive est le professeur Jouni Partanen et nous travaillons en étroite collaboration avec lui dans son laboratoire de fabrication, ADDLAB..

3DN : Comment est né le projet ValueBioMat ? Quelle est sa mission ?

La mission de ValueBiomat est de promouvoir la durabilité par des actions législatives et politiques en développant des cadres appropriés qui encouragent les développements dans les productions et les services liés aux biomatériaux, qui réglementent de manière proportionnée la protection et l’accès aux données industrielles et aux fichiers de conception, et  qui soutiennent la coopération entre les parties prenantes en développant de nouveaux modèles d’innovation et de gouvernance des réseaux commerciaux.

Nous étudions et développons également des voies de synthèse viables et à haut débit à partir d’acides gras vers des monomères polymérisables tels que les acides di-carboxyliques, et nous examinons les possibilités de synthétiser des polyamides, des polyesters et des polyuréthanes à longue chaîne d’origine biologique, ainsi que leurs corrélations structure-propriété avec les propriétés des matériaux. Les composites renforcés de biopolymères synthétisés avec une compatibilisation chimique sont la technologie clé pour découvrir les matériaux composites optimaux contenant des fibres longues pour les processus d’impression et pour développer des procédés appropriés pour ces composites. Enfin, nous évaluons l’impact environnemental, social et éthique de nos solutions au profit de la société.

3DN : Quels sont les principaux avantages à transformer des bio-huiles en composites pour l’impression 3D ?

Les bio-huiles constituent une source nouvelle et émergente de matières premières renouvelables pour la production de carburants et de matériaux polymères. Il existe actuellement des bio-huiles commerciales à base de polyamides. Dans le cadre de nos recherches, nous avons mis au point des polyamides à longue chaîne présentant des propriétés optimales, notamment en combinaison avec des charges et des fibres de renforcement d’origine biologique, afin de fabriquer des biocomposites thermoplastiques. Les problèmes que nous avons réussi à résoudre concernent la manière d’éviter la dégradation des bioparticules thermosensibles. A cette fin, nous avons développé des polyamides spécifiques à bas point de fusion, qui sont essentiellement basés sur des matières premières biologiques. Ces progrès nous ont permis de créer de nouveaux composites biosourcés intéressants pour remplacer les plastiques et composites conventionnels d’origine fossile.

Le projet ValueBioMat regroupe plusieurs partenaires

3DN : Pouvez-vous nous en dire un peu plus sur le processus d’impression 3D que vous utilisez ?

Nous avons travaillé avec la stéréolithographie dans le cadre de la fabrication additive, où le paramètre clé est d’assurer la réticulation chimique correcte et rapide de la résine. Cela inclut également la liaison chimique entre les couches, de sorte qu’un réseau 3D sans soudure est finalement formé, c’est-à-dire qu’un résultat final sans couche est obtenu. Il existe des dispositifs qui ont été développés exactement dans ce but. Au lieu que le plateau d’impression se déplace par intervalles de hauteur (par exemple 50 µm), il se déplace lentement et en continu pendant que la photoréticulation a lieu, ce qui donne une structure sans couche. Une autre approche, que nous avons mise en œuvre, consiste à imprimer en 3D des moules préconçus qui, dans une autre étape, sont utilisés pour couler les objets. Dans ce cas, l’objet réel n’a pas non plus de couches.

3DN : Comment ValueBioMat voit-il l’avenir des plastiques renouvelables et circulaires dans l’impression 3D ?

Nous sommes convaincus que l’impression 3D offre de nouvelles possibilités pour la conception optimisée de produits permettant de réduire la consommation de matériaux. En outre, la fabrication numérique avec des imprimantes 3D distribuées offre une production à la demande au point d’utilisation. Il faut également tenir compte des différentes échelles, de l’impression 3D de bureau à la fabrication additive robotisée d’objets de très grande taille.

3DN : Un dernier mot pour nos lecteurs ?

Les nouveaux matériaux et leurs techniques de transformation occupent une position clé pour permettre la durabilité et la circularité dans un avenir proche. Pour mettre cela en pratique, nous avons besoin non seulement de solutions techniques mais aussi d’une compréhension fondée sur la science de l’ensemble de la chaîne de valeur du cycle de vie jusqu’aux schémas de fin de vie des produits. À cet égard, les nouveaux modèles commerciaux ont besoin d’incitations et de réglementations. Je suis sûr que les producteurs et les consommateurs sont disposés à le faire. C’est la mission principale du projet ValueBiomat.

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*Crédits photo de couverture : Université Aalto