À partir de zéro : faire passer la technologie d'impression 3D au niveau supérieur

Un bain de support utilisé pour soutenir l'intégrité structurelle des tissus imprimés, permettant l'impression avec des complexités anatomiques. Crédit : Patrick Mansell / Penn State. Creative Commons

21 mars 2022

By Sara LaJeunesse

Timothy Simpson est l'heureux propriétaire d'une montre-bracelet personnalisée, l'une des rares fabriquées entièrement aux États-Unis de nos jours. Créée par Vortic Watch Company, une entreprise appartenant à RT Custer, ancien élève de Penn State, la pièce est une belle montre de poche de 1908 fabriquée à Waltham, Massachusetts, qui est enfermée dans une coque extérieure en titane imprimée en 3D et équipée d'un bracelet en cuir personnalisé.

Grâce à l'impression 3D, "Vortic a pu donner une nouvelle vie à une antiquité et créer un produit de luxe haut de gamme de niche", a déclaré Simpson, chef de département par intérim de la School of Engineering Design, Technology, and Professional Programs et Paul Morrow Professor in Engineering Design and Manufacturing.

Une grande partie de l'attrait de la technologie, a ajouté Simpson, est qu'elle permet un niveau de personnalisation impossible avec la fabrication traditionnelle. Grâce à l'impression 3D, Vortic peut créer des raccords en titane personnalisés pour chaque pièce d'horlogerie unique en utilisant la même machine et en passant des commandes après réception du paiement. Pour Custer et un nombre croissant d'autres, l'impression 3D a abaissé les obstacles à la fabrication.

"Cela démocratise l'esprit d'entreprise, en particulier pour les startups basées sur le matériel", a déclaré Simpson. "Les entrepreneurs n'ont pas à investir des millions de dollars dans des machines et de l'équipement. Ils peuvent simplement acheter quelques imprimantes et commencer à fabriquer des choses."

"Du point de vue des capacités, nous sommes parmi les meilleures institutions au monde dans le domaine de la fabrication additive."

Tim Simpson, professeur Paul Morrow en conception et fabrication d'ingénierie

En effet, pour environ 150 $, n'importe qui peut sortir d'un Walmart avec une imprimante 3D capable de créer une gamme croissante d'outils, de jouets et d'autres bibelots. Ces dernières années, cependant, la technique est devenue considérablement plus sophistiquée; ses produits vont au-delà des simples morceaux et bobs en plastique pour inclure des articles de haute technologie fabriqués à partir de métal, de béton, d'argile et même de biomatériaux. Les chercheurs de Penn State sont à la pointe du domaine désormais connu sous le nom de fabrication additive, travaillant à faire progresser les capacités de l'impression 3D dans le but de résoudre les problèmes urgents de santé humaine, de logement et de transport, entre autres domaines.

Un jeu de balle différent

"N'importe qui peut acheter une imprimante, apprendre à y mettre du matériel et se lancer, mais concevoir des pièces qui tirent vraiment parti de l'impression 3D - afin qu'elles soient meilleures, plus rapides et moins chères que les composants fabriqués traditionnellement - est un autre jeu de balle", a déclaré Simpson. "Vous devez comprendre l'économie, les matériaux, la conception, le processus. C'est un sport de contact; vous devez côtoyer et parler à des experts dans de nombreuses autres disciplines pour vraiment bien faire de l'additif."

La capacité des chercheurs de Penn State à faire exactement cela - collaborer avec des collègues de toutes les disciplines pour aborder chaque composant d'un problème et sa solution - est une force de l'Université, a déclaré Simpson. "A cause de cela", a-t-il ajouté, "du point de vue des capacités, nous sommes parmi les meilleures institutions au monde dans le domaine de la fabrication additive, et nous continuons à nous développer dans de nouveaux domaines en conséquence."

Le terme fabrication additive, a expliqué Simpson, décrit l'utilisation de l'impression 3D pour fabriquer des composants fonctionnels dans un environnement de fabrication. Le processus est "additif" car il produit un objet en le construisant une couche à la fois. "Pensez à l'eau qui s'égoutte du plafond d'une grotte et dépose de fines couches de minéraux pour former des stalagmites sur le sol de la grotte", a-t-il déclaré. En revanche, la fabrication soustractive crée des composants en enlevant de la matière jusqu'à ce que la pièce finale soit terminée. Le processus additif, de par sa nature, est à la fois plus flexible et beaucoup moins coûteux.

Les expériences de fabrication additive par dépôt d'énergie dirigée explorent l'impact du traitement au laser pulsé sur la microstructure et les propriétés des matériaux. Crédit : Jason Bolt, ARL, Penn State. Tous les droits sont réservés.

Le processus commence par un modèle 3D : une représentation de conception assistée par ordinateur (CAO) de l'objet qui spécifie précisément la quantité de matériau (plastique, métal, argile ou autre substance) à déposer, et où. Au fur et à mesure que l'imprimante 3D lit ses instructions, elle extrude un filament plastique d'une buse sur le lit d'impression de la manière spécifiée ou un laser fait fondre la poudre métallique couche par couche pour former une pièce. Après avoir terminé la couche de base, l'imprimante ajoute des couches supplémentaires jusqu'à ce que l'article soit terminé.

De cette façon, les utilisateurs peuvent imprimer presque tout ce qu'ils peuvent imaginer. "Nous utilisons l'impression 3D pour fabriquer des pièces de voiture et d'avion, des implants de hanche et de genou, etc.", a déclaré Simpson. "Il y a plusieurs années, il y a eu un épisode de" Grey's Anatomy "où les médecins ont reconstruit l'oreille d'un patient en en faisant pousser une nouvelle. Nous pouvons le faire maintenant. C'est en train de se produire, et Penn State compte certains des principaux experts dans le domaine de l'impression 3D. "

Impression avec des biomatériaux

Imaginez-vous un patient dans un appareil IRM. Vous connaissez probablement le concept de rester immobile dans ce tunnel confortable, car les scanners rotatifs produisent des images à grain fin de vos tissus et organes internes. Imaginez maintenant qu'une telle machine puisse directement réparer ces tissus en déposant de nouvelles couches musculaires ou cutanées, voire créer et installer de nouveaux organes. Tel est le rêve d'Ibrahim T. Ozbolat, professeur agrégé de sciences de l'ingénieur et de mécanique, de génie biomédical et de neurochirurgie. Ozbolat utilise l'impression 3D pour créer une gamme de matériaux destinés à la santé humaine.

"Je peux imaginer un moment où un patient pourrait s'allonger sous une bio-imprimante et avoir une nouvelle peau imprimée directement sur une plaie", a-t-il déclaré. Déjà, Ozbolat et son groupe de laboratoire ont rapporté avoir réussi à imprimer à la fois des os et des tissus mous sur des crânes de rats.

Miji Yeo, stagiaire postdoctoral travaillant dans le laboratoire d'Ibrahim Ozbolat, bio-impression de cellules vivantes par micro-valve pour la fabrication de tissus cutanés Crédit : Patrick Mansell / Penn State. Creative Commons

"La réparation des blessures à la peau et aux os du crâne est particulièrement difficile compte tenu des nombreuses couches de différents types de tissus impliqués", a-t-il déclaré. "Essayer de travailler avec ces deux matériaux en même temps est un défi encore plus grand."

Actuellement, a-t-il expliqué, la réparation des blessures au crâne nécessite l'utilisation de peau et d'os provenant d'une autre partie du corps du patient, ce qui nécessite une intervention chirurgicale supplémentaire, ou d'un cadavre, ce qui risque d'être rejeté par le système immunitaire du patient. Pour leur étude, Ozbolat et ses collègues ont plutôt créé un matériau osseux imprimable en utilisant un mélange de collagène ; le chitosane, un sucre du squelette externe des coquillages ; la nano-hydroxyapatite, un composant de l'émail dentaire ; et la protéine morphogénétique osseuse-2, un facteur de croissance approuvé par la FDA pour la régénération osseuse. Pour la peau, ils ont utilisé du collagène et du fibrinogène, une protéine fabriquée dans le foie qui aide à la coagulation du sang.

Après avoir scanné avec précision le défaut du crâne du rat, a expliqué Ozbolat, l'imprimante 3D a suivi le "plan" 3D, en extrudant le matériau osseux sur la plaie, suivi d'un matériau barrière, puis du matériau cutané. L'ensemble du processus a pris moins de cinq minutes. Après avoir réparé séparément le trou de 6 millimètres de large dans la peau et le trou de 5 millimètres de large dans l'os, ils sont passés à la réparation des deux au cours de la même intervention chirurgicale. "Il n'y a pas de méthode chirurgicale pour réparer les tissus mous et durs à la fois", a noté Ozbolat.

La prochaine étape, a-t-il dit, consiste à ajouter des composés qui peuvent aider à faciliter la vascularisation, car le flux sanguin vers les os est particulièrement important pour la guérison. Lui et son équipe travaillent déjà avec des neurochirurgiens, des chirurgiens craniomaxillofaciaux et des chirurgiens plasticiens du Penn State Hershey Medical Center pour traduire cette recherche en applications humaines.

En plus de réparer la peau et les os, Ozbolat et son équipe utilisent la bioimpression 3D pour aider à l'étude du cancer du sein. Dans une étude récente, l'équipe a généré des modèles de tumeurs, appelés sphéroïdes tumoraux, pour étudier comment la distance d'une cellule tumorale par rapport aux cellules endothéliales voisines - cellules qui tapissent les parois des vaisseaux sanguins - et aux fibroblastes - cellules du tissu conjonctif - influence sa capacité à se développer. Plus une cellule tumorale est proche d'une cellule endothéliale ou d'un fibroblaste, ont-ils découvert, plus elle est susceptible de se propager de manière agressive.

"Dans une recherche comme celle-ci, il est important de maintenir la précision des variables testées", a déclaré Madhuri Dey, doctorante en chimie. "Dans ce projet, l'impression 3D nous permet d'ajuster précisément la position de la tumeur par rapport au vaisseau sanguin principal afin d'observer les effets de la distance sur la croissance tumorale. L'utilisation d'une tumeur naturelle introduirait trop de variabilité."

Impression avec du béton

Alors que l'impression 3D de matériaux biologiques a la capacité de transformer les soins de santé, la technique peut également revoir la façon dont nous concevons et construisons nos structures vivantes - non seulement sur Terre, mais peut-être même dans l'espace.

Récemment, Jose Duarte, Stuckeman Chair in Design Innovation, et Shadi Nazarian, professeur agrégé d'architecture, ont codirigé une équipe interdisciplinaire d'étudiants et de professeurs qui a remporté la deuxième place dans un concours de la NASA. Le but? Concevoir un système autonome capable de créer un abri humain sur Mars en utilisant la technologie d'impression 3D. Avec leur entrée, l'équipe a réussi à construire la première structure entièrement imprimée en 3D au monde à inclure un toit construit sur place sans coffrage ni moule, a déclaré Duarte.

"Les autres équipes ont imprimé le toit séparément et l'ont ensuite relevé à sa place, ou bien ont utilisé des coffrages pour éviter son effondrement lors de l'impression", a ajouté Duarte.

Duarte a crédité Sven Bilén, professeur de conception technique, de technologie et de programmes professionnels, pour sa contribution unique au système d'impression. "Sven a ajouté une extension ingénieuse au bras robotique qui lui a permis d'aller assez loin pour imprimer toute la structure, augmentant ainsi ce que nous appelons la 'liberté de conception'", a déclaré Duarte.

Un autre défi du concours était d'imprimer en 3D avec un béton spécialisé capable de résister à des conditions environnementales extrêmes en tant que structure finie. Aleksandra Radlinska, professeure agrégée de génie civil, a apporté à l'équipe son expertise en comportement du ciment et du béton. L'impression 3D avec du béton peut être délicate, a expliqué Radlinska, car le mélange doit être suffisamment fluide pour être extrudé à travers une buse d'impression, mais ensuite suffisamment stable et solide pour supporter des couches supplémentaires. Lorsqu'elle est bien faite, les chercheurs ont montré que l'impression 3D avec du béton peut donner des structures aussi solides que celles construites traditionnellement, tout en utilisant moins de matériau.

"Vous pouvez construire une grande maison avec une petite imprimante, une pièce à la fois. Vous pouvez tout imprimer sur place."

Jose Duarte, Chaire Stuckeman en innovation du design

Bien que le concours d'abris sur Mars se soit entièrement déroulé sur Terre, le produit final de l'équipe pourrait être construit dans l'espace. Les connaissances acquises seront cependant utilisées pour créer ici des options de logement durables et à faible coût, en simplifiant et en accélérant les processus de construction et en économisant sur les matériaux, a déclaré Duarte. Lui et ses collègues développent déjà la technologie pour déployer des structures dans des régions reculées de l'Alaska, où les températures extrêmes rivalisent avec celles de Mars.

Coordonnée par la chaire Ali Memari, Bernard et Henrietta Hankin en construction de bâtiments résidentiels, et avec l'aide de Ming Xiao, professeur de génie civil, et de Nathan Brown, professeur de génie architectural, l'équipe conçoit un modèle imprimé en 3D prêt pour l'Alaska qui comprend une fondation, des murs et un toit.

"Le modèle est essentiellement une pièce, et vous pouvez combiner des pièces pour construire des maisons uniques avec une variété de configurations", a déclaré Duarte. "En faisant cela, vous pouvez construire une grande maison avec une petite imprimante, une pièce à la fois. Vous pouvez tout imprimer sur place."

Impression avec de l'argile

Le professeur adjoint d'art Tom Lauerman utilise l'impression 3D pour construire des structures d'un autre genre. Bien qu'ils soient beaucoup plus petits qu'une maison, ils sont tout aussi intrigants. Et le matériau qu'il utilise - l'argile - se trouve dans son propre jardin.

"En tant que sculpteur, le médium avec lequel je travaille depuis de nombreuses années est la céramique, mais j'ai toujours été très intéressé par la technologie", a déclaré Lauerman. "J'ai donc commencé à apprendre des programmes de modélisation 3D, comme ce qu'un architecte ou un designer industriel utiliserait pour concevoir des choses. C'était en partie parce que c'était un moyen efficace pour moi de faire ressortir des idées. Je ferais ces modèles 3D essentiellement comme un plan pour quelque chose que j'allais ensuite essayer de faire à la main."

Au fur et à mesure que l'impression 3D progressait, Lauerman a commencé à utiliser la technologie pour fabriquer des moules en plastique et à partir de ceux-ci pour mouler des objets en céramique. "Cela a très bien fonctionné", a-t-il déclaré, "mais cela prenait du temps et était fastidieux."

'Stairs' de Tom Lauerman, imprimé en terre cuite. La surface noire est créée à l'aide d'une technique ancienne appelée "terra sigillata" qui se traduit par "terre scellée". Crédit : Patrick Mansell / Penn State. Creative Commons

C'est lorsque Lauerman a demandé à Simpson des conseils techniques que l'idée de l'impression 3D directement avec de l'argile est née. Parce qu'il n'y avait pas d'imprimantes prêtes à l'emploi qui convenaient à son objectif, Lauerman, à la suggestion de Simpson, s'est rendu à l'usine d'apprentissage du College of Engineering pour travailler avec une équipe d'étudiants pour en construire une.

La Bernard M. Gordon Learning Factory est une installation pratique que les étudiants en génie peuvent utiliser conjointement avec la conception de synthèse et d'autres cours. Au cours des cinq dernières années, Lauerman a travaillé avec ces étudiants pour concevoir et fabriquer des imprimantes 3D personnalisées à base d'argile.

"Les objets que nous avons pu créer au début étaient vraiment rudimentaires ; c'étaient de minuscules petites choses", a-t-il déclaré. Aujourd'hui, cependant, les créations de Lauerman sont beaucoup plus sophistiquées et il prévoit de les exposer dans une exposition officielle au cours de l'année à venir.

"L'impression 3D me permet d'expérimenter des possibilités presque illimitées", a-t-il déclaré. "Je peux faire des choses avec des motifs répétitifs vraiment complexes qui seraient très difficiles à faire à la main, et si je veux faire un petit ajustement, je peux le faire sans avoir à passer par l'immense effort de reconstruire à partir de zéro."

Impression avec du métal

Alors que les matériaux biologiques, le ciment et l'argile ouvrent les portes à des possibilités passionnantes grâce à l'impression 3D, a déclaré Simpson, "ce qui a vraiment suralimenté la fabrication additive au cours des 10 dernières années, ce sont les métaux". La technologie s'est développée au point de permettre de réaliser des pièces métalliques avec des courbes complexes ou des cavités très difficiles à réaliser avec des procédés soustractifs, a-t-il expliqué. Les résultats ont déjà commencé à avoir un impact sur la fabrication d'automobiles et d'avions, entre autres industries.

Le collègue de Simpson, Edward "Ted" Reutzel, est l'un des plus d'une douzaine de chercheurs du laboratoire de recherche appliquée de Penn State qui font progresser l'impression 3D métallique. Reutzel dirige le Center for Innovative Materials Processing Through Direct Digital Deposition (CIMP-3D), une installation de 8 000 pieds carrés située à Innovation Park dont les capacités et l'expertise de pointe lui permettent de servir d'installation de démonstration de fabrication additive pour l'US Defense Advanced Research Project Agency (DARPA). Au cours des 10 dernières années, CIMP-3D a accueilli plus de 6 000 visiteurs, créé trois start-up, créé plus de 30 nouveaux emplois dans la région et soutenu le lancement du premier programme d'études supérieures en fabrication et conception additives au monde, qui compte désormais plus de 200 professionnels de l'industrie issus de plus de 80 entreprises différentes.

Ted Reutzel et Allison Beese discutent d'échantillons de Ti-6Al-4V, un alliage de titane largement utilisé dans l'industrie aérospatiale, en cours de fabrication dans une machine de fusion laser sur lit de poudre au Centre de traitement de matériaux innovants par dépôt numérique direct (CIMP-3D) dans Innovation Park. Crédit : Jason Bolt, ARL, Penn State. Tous les droits sont réservés.

En collaboration avec l'US Navy en 2016, Reutzel a dirigé une équipe qui a soutenu l'US Naval Air Systems Command dans la conception et la construction du premier composant critique de vol imprimé en 3D au monde - un lien en titane qui aide à fixer le moteur au châssis d'un avion à rotors basculants de la Marine. Aujourd'hui, Reutzel et ses collègues de CIMP-3D se concentrent sur la technologie de fabrication additive, de la recherche initiale aux applications à usage industriel, et sur l'aide au développement de méthodes pour évaluer et améliorer efficacement la qualité des pièces de fabrication additive.

« La fabrication additive a le potentiel de révolutionner la fabrication en fournissant une production à la demande, en réduisant les coûts de matériaux et de fabrication, en permettant des conceptions très flexibles pour la production et en produisant des fonctionnalités et des combinaisons de matériaux qui ne sont pas actuellement réalisables », a déclaré Reutzel. Mais des obstacles subsistent, a-t-il dit - pour commencer, "le manque de pratiques de contrôle de la qualité établies pour les pièces construites pose un défi à une adoption plus large".

Comme l'a expliqué Reutzel, le processus d'impression 3D qui permet la fabrication rapide de pièces complexes est lui-même assez complexe, et de petites perturbations du processus peuvent être corrélées à des défauts matériels tels que des vides ou de la porosité - essentiellement des trous dans le matériau qui sont plus petits qu'un cheveu humain. Ces défauts peuvent entraîner des fissures et une instabilité, compromettant la durabilité et la sécurité.

Reutzel et ses collègues, dont Parisa Shokouhi, professeure agrégée de sciences de l'ingénieur et de mécanique, étudient divers processus pour identifier ces défauts, y compris la spectroscopie ultrasonore à résonance non linéaire, qui peut prédire la durée de vie d'un objet avant de tomber en panne, et la tomodensitométrie à rayons X, qui permet la visualisation des défauts intérieurs dans les objets solides.

Allison Beese, professeure agrégée de science et génie des matériaux et de génie mécanique, travaille également au contrôle de la qualité des métaux. Beese, qui dirige le programme d'études supérieures de fabrication et de conception additives de Penn State, concentre une grande partie de ses recherches sur les matériaux à gradation fonctionnelle, qui combinent des matériaux avec différents attributs pour obtenir les propriétés souhaitées.

"C'est très excitant d'être à la pointe de la révolution additive."

Tim Simpson, professeur Paul Morrow en conception et fabrication d'ingénierie

Beese examine également les relations entre la température, la microstructure et les propriétés mécaniques liées au processus d'impression. Lors de la fabrication additive de métaux, par exemple, la matière première introduite dans l'imprimante se présente souvent sous la forme d'une poudre métallique ou d'une charge de fil. Ces matériaux sont fondus avec un laser ou un faisceau d'électrons, et à mesure que chaque couche de l'objet souhaité est ajoutée, elle se refroidit, se solidifie et fusionne avec la couche en dessous. Ce processus introduit des cycles de chauffage et de refroidissement rapides, ce qui entraîne des microstructures dans le matériau qui diffèrent radicalement de celles observées dans les homologues moulés ou forgés. "Pour utiliser de manière fiable les métaux dans des applications structurelles, leurs propriétés mécaniques doivent être comprises et prévisibles", a déclaré Beese. "Le travail de mon laboratoire peut finalement aider à définir des mesures pour le contrôle de la qualité et la répétabilité, et conduire au développement de nouveaux matériaux."

Alors que la sécurité et la qualité sont des priorités absolues alors que de plus en plus de produits de consommation et industriels sont fabriqués de cette manière, l'impression 3D avec plusieurs matériaux est un autre domaine prometteur pour la recherche future. "Si nous voulons imprimer une maison, actuellement nous imprimons le béton, mais laissons des espaces pour les fenêtres", a expliqué Simpson. "Pourrions-nous simplement passer à un polymère transparent pendant le processus de mise en béton pour obtenir une fenêtre?"

La nature numérique de la fabrication additive signifie que la 5G, la prochaine génération de technologie de réseau sans fil, créera de nouvelles opportunités de surveillance et d'exploitation à distance, a déclaré Simpson. "Notre espoir est de construire un banc d'essai 5G sur le campus qui servira de plate-forme pour développer, déployer et tester de nouveaux protocoles pour la fabrication additive et d'autres technologies de fabrication numérique." Avec la mise en place de la 5G, a-t-il déclaré, "nous pouvons ouvrir de toutes nouvelles voies pour l'assurance qualité et le contrôle qualité".

Des montres personnalisées déjà disponibles aux organes artificiels testés pour l'avenir, l'impression 3D et la fabrication additive nous permettent de produire des produits traditionnels de manière plus abordable et durable et de créer des produits entièrement nouveaux qui peuvent transformer notre façon de voyager, de construire des maisons et de gérer notre santé. À Penn State, les chercheurs utilisent la technologie de manière nouvelle et passionnante qui a déjà un impact sur le monde.

"Notre faculté et nos étudiants travaillent directement avec l'industrie pour aider à résoudre les problèmes du monde réel", a déclaré Simpson. "C'est très excitant d'être à la pointe de la révolution additive à Penn State, et notre capacité à collaborer si facilement renforce notre impact bien au-delà de ce que chacun d'entre nous pourrait faire seul."

Cette histoire est apparue pour la première fois dans le numéro d'automne 2021 du magazine Research / Penn State.

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