Impression 3D par lumière : une « encre » innovante permet un cycle de matières en boucle fermée
Une équipe de recherche met au point un matériau polymère pouvant être décomposé en ses différents composants et réutilisé
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Les polymères utilisés pour l'impression 3D par lumière sont très stables en raison de leur structure chimique, mais ils sont généralement difficiles à recycler. Une équipe de recherche dirigée par le professeur Eva Blasco, chercheuse à l’Institut d’ingénierie des systèmes moléculaires et des matériaux avancés (IMSEAM) de l’université de Heidelberg, a désormais mis au point un matériau polymère capable d’être décomposé en ses composants individuels lorsque cela s’avère nécessaire. Une « clé » chimique provoque la décomposition, en quelques secondes, du matériau déjà imprimé en ses éléments constitutifs moléculaires. Ceux-ci peuvent être récupérés et réutilisés dans un processus de fabrication circulaire.
La chaîne moléculaire du matériau métastable (à gauche) est maintenue par un seul verrou (orange). Dès que la clé chimique de droite ouvre ce verrou, toute la chaîne se désagrège en quelques secondes (images à droite).
© Forschungsgruppe Blasco
Parmi les méthodes de fabrication additive – c’est-à-dire d’impression 3D –, les approches de haute précision basées sur la lumière, telles que le traitement numérique de la lumière (DLP), se distinguent pour la production de structures petites et complexes. Elles sont utilisées, par exemple, en médecine personnalisée ou en robotique souple. Ces technologies reposent sur des «encres» liquides qui durcissent pour former des structures tridimensionnelles solides lorsqu’elles sont exposées à la lumière. Elles sont généralement constituées de matériaux dits thermodurcissables, dont les éléments constitutifs sont liés de manière permanente et irréversible au sein d’un réseau indémontable. Cela rend les matériaux très stables, mais ils sont pratiquement non recyclables et, selon les scientifiques, pourraient devenir une source de flux de déchets constants.
Afin de rendre l’impression 3D par lumière plus durable, l’équipe de recherche de Heidelberg a mis au point un matériau dit « métastable » qui peut être décomposé en ses composants individuels sans compromettre la précision, la qualité ou la stabilité mécanique. Les scientifiques se sont appuyés sur un polymère spécial réagissant à un signal chimique. « La longue chaîne moléculaire est maintenue par un seul point de rupture prédéterminé. Dès qu’un déclencheur chimique spécifique ouvre ce site, la chaîne entière se décompose en ses éléments constitutifs en quelques secondes à température ambiante, à la manière d’une rangée de dominos », explique Johannes Markhart, doctorant menant des recherches au sein de l’équipe d’Eva Blasco. Le point de rupture prédéterminé fonctionne comme une serrure qui ne s’ouvre qu’avec la bonne clé.
Au cours de ses expériences, l’équipe de recherche a pu utiliser ce nouveau matériau métastable pour produire diverses structures tridimensionnelles complexes présentant des détails à l’échelle du micromètre, démontrant ainsi qu’il pouvait servir d’« encre » à haute résolution. « Il allie une haute qualité d’impression à une propriété jusqu’ici pratiquement inexistante dans les matériaux polymères destinés à l’impression 3D : il peut être entièrement démonté en ses composants individuels sans laisser de résidus », précise Johannes Markhart. Les scientifiques ont ensuite pu isoler ces éléments constitutifs et les reconvertir en polymère. Des analyses spectroscopiques ont confirmé que la composition chimique du polymère recyclé est identique à celle du matériau de départ au niveau moléculaire. « Lors de sa réutilisation, le matériau présentait les mêmes propriétés que lors du premier processus d’impression », explique le Dr Philipp Mainik, qui a participé à ces recherches en tant que doctorant.
« Notre approche montre que stabilité et recyclabilité ne s’excluent pas nécessairement l’une l’autre. Nous espérons qu’elle ouvrira la voie à une véritable circularité chimique et contribuera ainsi à des processus de fabrication plus durables », souligne la professeure Blasco, qui, avec son groupe à l’IMSEAM et à l’Institut de chimie organique de l’université de Heidelberg, mène des recherches à la croisée de la chimie macromoléculaire, de la science des matériaux et de la fabrication additive.
Ces travaux ont été menés dans le cadre du pôle d’excellence « 3D Matter Made to Order », fruit d’une collaboration entre l’université de Heidelberg et l’Institut de technologie de Karlsruhe. La Fondation allemande pour la recherche, la Fondation Carl Zeiss et le Fonds de l’industrie chimique ont financé ces recherches. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue « Advanced Materials ».
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