Et s’il était possible de se passer de l’étape de déliantage, polluante et énergivore, lors de l’impression 3D céramique ? C’est en tout cas l’un des atouts de la technologie développée et brevetée par des chercheurs de l’Institut de recherche sur les céramiques (IRCER, CNRS/Université de Limoges), dont le programme de prématuration s’est terminé en juillet 2024.
Cette étape est en effet nécessaire dans les techniques utilisées traditionnellement pour éliminer les additifs organiques ajoutés à la poudre sans endommager les pièces. « Ces additifs lient les particules entre elles et donnent une consistance de pâte à l’ensemble, nécessaire pour imprimer les pièces », explique Arnaud Videcoq, responsable de l’axe « Procédés céramiques innovants » à l’IRCER.
Cependant, ces derniers vont être supprimés avant la dernière étape, l’étape de frittage, qui cuit la pièce finale à environ 1000 degrés. « Pour cela, il faut d’abord chauffer la pièce à quelques centaines de degrés, température à laquelle les organiques se dégradent sous l’effet de la chaleur. Cette étape est délicate car elle peut conduire à divers défauts. Elle peut durer plusieurs dizaines d’heures », précise le spécialiste, une étape à la fois coûteuse en énergie et émettrice de CO2.
Exploiter les interactions naturelles entre les particules
Avec la technologie d’impression 3D par écriture directe d’assemblages colloïdaux mise au point par l’équipe, ces additifs ne sont plus nécessaires. « Nous savions depuis longtemps que les particules céramiques étaient capables d’attractions entre elles, qui sont souvent inhibées dans les procédés. Nous, au contraire, nous exploitons ces interactions, venant des charges électrostatiques, pour que les particules se lient entre elles naturellement, sans additif », indique Arnaud Videcoq.
Une technologie innovante, qui est issue d’une thèse soutenue en 2022 par l’un de leurs étudiants, Gabriel Michaud : « Si cette dernière portait sur l’assemblage colloïdal dans un canal microfluidique, on n’imaginait pas que cela puisse être également une technologie d’impression », précise Arnaud Videcoq.
Plus concrètement, le dispositif se compose de deux réservoirs, l’un contenant des particules chargées positivement, et l’autre des particules chargées négativement - les deux types de particules étant en suspension dans de l’eau. « On achemine ensuite ces deux suspensions dans un canal microfluidique dans lequel elles vont se rencontrer et former ce qu’on appelle un assemblage colloïdal, juste avant l’impression », détaille le spécialiste.
Moduler la composition du filament
L’intérêt de ce procédé est qu’il permet de moduler en cours d’impression la composition du filament de matière en train d’être déposé, en utilisant plus de deux suspensions de départ : « En gérant les flux, on peut donc changer au cours de l’impression la composition du filament de matière qu’on est en train de déposer. Cela permet de fabriquer des pièces pour lesquelles les propriétés varient en fonction de l’endroit où l’on se trouve dans la pièce. C’est utile, par exemple, lorsqu’on veut fabriquer des prothèses dentaires avec des gradients de couleur dans le sens de la hauteur de la dent ».
Autre avantage de la technique : « Nous pouvons exploiter le séchage laser juste en sortie de buse, ce qui permet d’améliorer la résolution de l’impression. En consolidant le filament de matière directement, il est alors possible d’imprimer dans le vide, sans support, sur une certaine longueur et de générer des formes complexes », d'après Arnaud Videcoq. Le tout pour une précision similaire à celle obtenue par les techniques traditionnelles.
Toutes les poudres céramiques n’ont cependant pas été testées : « Il faut que l’on ait des charges en surface lorsque les particules sont en suspension. Les poudres testées représentent quand même une grosse partie des céramiques », souligne Manuella Cerbelaud, chargée de recherche CNRS à l’IRCER et porteuse du programme de prématuration.
Des partenaires industriels à trouver
Si les domaines d’applications du procédé sont larges, des technologies de l’information et de la communication aux dispositifs biomédicaux, reste encore à trouver un ou des partenaires industriels prêts à s’engager. Pour cela, selon Arnaud Videcoq, « nous sommes en contact avec le Centre de Transfert de Technologies Céramiques pour accélérer le transfert de notre procédé vers l’industrie ».
