Des chercheurs de l’école d’ingénierie John and Marcia Price de l’université de l’Utah, en collaboration avec des chercheurs de l’université du Texas à Austin, ont démontré une nouvelle méthode d’impression 3D qui évite les joints fragiles associés au processus de fabrication couche par couche. À l’aide d’un « masque » nanométrique qui diffracte la lumière laser en un motif holographique de la forme souhaitée, le procédé solidifie le matériau d’impression en une seule prise. Le procédé peut prendre à peine 7,5 secondes, un contraste saisissant avec les heures que peuvent exiger d’autres méthodes d’impression laser.
Dans un article publié plus tôt cette année, les chercheurs de Price ont démontré cette technique en imprimant des assemblages de microtubules dont les diamètres individuels pouvaient être aussi petits que 6 micromètres. Les tubes longs et fins convenaient naturellement aux capacités de la technique d’impression, mais ces capacités sont déjà en expansion.
Désormais, avec des collègues de l’UT Austin, ils ont démontré des impressions encore plus complexes, notamment des pièces comportant des cavités le long de plusieurs axes.
Leur dernière étude, publiée dans la revue Science Advances, a été menée par Rajesh Menon, professeur au département de génie électrique et informatique, ainsi que par Dajun Lin, membre du laboratoire. Ils ont collaboré avec Michael Cullinan, professeur associé de génie mécanique à l’université du Texas, et Zachariah A. Page, professeur associé de chimie, ainsi qu’avec les membres de leurs laboratoires.
Comme leur étude précédente, ce projet s’inspire de la photolithographie, mais applique le concept à trois dimensions.
Les impressions des chercheurs sont réalisées à partir d’une résine spécialement formulée. Constituée de polymères filamenteux, cette résine forme des chaînes moléculaires qui se réticulent et durcissent lorsqu’elles sont exposées à la lumière laser. Les sections non exposées du substrat peuvent ensuite être facilement éliminées par lavage, ne laissant que la forme souhaitée.
En photolithographie 2D, la forme est contrôlée par un masque opaque qui empêche le laser d’atteindre les parties indésirables du substrat. Cette approche convient à deux dimensions, car la lumière n’a besoin d’atteindre que la surface du substrat. Pour appliquer le concept à trois dimensions, le laser doit traverser le substrat lui-même, réticulant un volume à l’intérieur. Le défi réside dans la précision : comme le substrat n’est pas parfaitement transparent, il diffracte la trajectoire du laser lorsqu’il le traverse, ce qui provoque un flou.
Le groupe de Menon a trouvé une solution au problème du flou : un masque à nanomotifs qui compense la diffraction du substrat. Placé devant la source de lumière, le masque canalise l’énergie du laser uniquement vers le volume du substrat qui deviendra l’impression finale.
Lors de leur précédente démonstration de l’imprimante, les chercheurs ont produit une variété de réseaux complexes de microtubules, avec des rapports dimensionnels allant jusqu’à 120:1. Ces impressions comportaient des cavités sur leur longueur et leur largeur — les parties creuses des tubes — mais pas sur la hauteur de l’impression, ce qui a conduit Menon à les qualifier de « 2D étendue » plutôt que de « vraie 3D ».
Dans leur dernier article, cependant, Menon et ses collègues ont trouvé un moyen de contourner cette limitation.
En commençant par ajuster la composition chimique de leur résine, les chercheurs exploitent le fait que l’exposition à la lumière et le processus de durcissement se produisent à des échelles de temps très différentes, la première étant plusieurs ordres de grandeur plus rapide que le second. Grâce à une ingénierie computationnelle minutieuse, les chercheurs peuvent concevoir leurs photomasques de sorte que les zones d’impression destinées à rester creuses soient maintenues suffisamment sombres pour éviter la réticulation.
« Nous concevons la manière dont la lumière circule dans la résine afin qu’il y ait des zones lumineuses là où nous voulons que le durcissement se produise — les zones solides de l’impression — et des zones plus sombres là où nous ne le voulons pas », explique Menon.
Les formes obtenues, notamment un cylindre creux et un cube creux, servent de preuve de concept pour des impressions encore plus grandes, le tout réalisé en quelques secondes.
Article : Single-exposure holographic 3D printing via inverse-designed phase masks – Journal : Science Advances – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Les autres coauteurs incluent Xiaofeng Chen, Connor J. O’Dea, Ji-Won Kim et Keldy S. Mason, membres du laboratoire de Page, Barbara Groh, membre du laboratoire de Cullinan, et Apratim Majumder, membre du laboratoire de Menon. Chih-Hao Chang, professeur de génie mécanique à l’université du Texas à Austin, ainsi que Kwong Sang Lee, membre du laboratoire, ont également contribué à l’article.
Source : Utah U
