Valentine Ananikov, chimiste à l’Institut Zelinsky de chimie organique de Moscou, réalise des réactions chimiques si délicates qu’une simple trace de nanoparticules métalliques, plus petites qu’une bactérie, pourrait modifier ses résultats. Ainsi, lorsque son laboratoire termine une expérience, un nettoyage rigoureux s’impose. Ou du moins, c’était le cas auparavant. En 2016, Ananikov a commencé à créer des récipients de réaction jetables à la place. Pour ce faire, il s’appuie sur une technologie qui a captivé l’imagination des hackers bricoleurs, des ingénieurs et des scientifiques : l’impression 3D.
Dans l’impression 3D, également appelée fabrication additive, un modèle informatique 3D est transformé en un objet physique couche par couche, comme le glaçage d’un gâteau. L’équipe d’Ananikov utilise cette technologie pour créer des réacteurs chimiques sur mesure en quelques jours, plutôt que d’attendre des semaines ou plus pour qu’ils soient fabriqués et expédiés par un fournisseur extérieur. Plus important encore, le coût de l’impression 3D du plastique est si faible que le groupe peut se permettre de traiter les équipements comme des consommables à utiliser une fois puis à jeter, sans aucun nettoyage nécessaire. « Pour les laboratoires de recherche qui s’occupent de projets interdisciplinaires, dit Ananikov, l’impression 3D est une sorte d’outil standard de nos jours. »
Les imprimantes 3D ont été largement adoptées par les membres de la « culture maker » pour l’éducation et la création d’objets innovants. Mais elles deviennent aussi de plus en plus un équipement standard dans les laboratoires scientifiques. Les chercheurs peuvent les utiliser pour remplacer des pièces d’instruments cassées, construire des supports d’échantillons personnalisés et modéliser tout, des molécules biologiques aux roches pétrolifères. Et les cliniciens peuvent les utiliser pour créer des implants et des modèles d’enseignement.
Les objets peuvent être imprimés en 3D à l’aide de plusieurs technologies, mais l’une des plus répandues est la fabrication par filaments fondus (FFF), également appelée modélisation par dépôt de fusion. Dans les imprimantes FFF, un filament étroit et coloré – généralement un fil de plastique – est chauffé et extrudé, formant une forme couche par couche. En revanche, les anciennes imprimantes stéréolithographiques utilisent un réservoir de résine liquide activée par la lumière, qui est durcie en formes précises par un laser. Les imprimantes FFF ont tendance à produire des objets moins détaillés que les imprimantes de stéréolithographie, mais elles sont plus faciles et moins chères à utiliser.
Les imprimantes FFF commerciales peuvent être acquises pour des sommes allant de quelques centaines à quelques milliers de dollars. Ou les chercheurs peuvent construire le matériel eux-mêmes avec des kits ou des conceptions du projet open-source RepRap pour quelques centaines de dollars seulement.
L’impression 3D n’est pas nouvelle : les imprimantes de stéréolithographie existent depuis les années 1980. Mais la baisse des prix a rendu cette technologie largement accessible. Vous trouverez ci-dessous quatre façons dont les chercheurs ont tiré parti de l’impression 3D.
Équipement sur le pouce
Julian Stirling, un physicien de l’Université de Bath, au Royaume-Uni, fait partie d’une équipe qui a conçu des microscopes lumineux pouvant être fabriqués avec des composants en plastique imprimés en 3D. L’idée est de les construire sur le terrain en Tanzanie et de les utiliser pour diagnostiquer le paludisme en recherchant les parasites dans le sang. La Tanzanie manque de mécaniciens compétents et de composants locaux pour réparer les équipements scientifiques, explique-t-il, et l’importation de composants peut être coûteuse et prendre du temps. En imprimant des pièces en 3D, les médecins et les scientifiques locaux peuvent réparer leurs microscopes plus rapidement et à moindre coût. Une entreprise locale en Tanzanie a même créé des imprimantes FFF à partir de déchets électroniques et d’autres matériaux locaux, ajoute-t-il.
Plusieurs sites web, dont Thingiverse et MyMiniFactory, offrent des forums permettant aux scientifiques de partager des modèles informatiques de composants imprimables. Mais d’après l’expérience de Stirling, les modèles sur ces sites sont souvent incomplets, manquant soit de documentation pour un projet particulier, soit de fichiers clés pour modifier les conceptions. Par conséquent, son équipe crée ses modèles à partir de rien, en utilisant un langage de programmation libre appelé OpenSCAD. Leurs microscopes peuvent être entièrement imprimés en 3D, à l’exception de la caméra, des moteurs et des objectifs.
Lorsqu’il s’agit d’impression 3D, il est facile de faire des erreurs, dit Stirling. Mais comme la technologie est rapide et peu coûteuse, il est simple d’itérer sur les conceptions. « Cette expérience ne peut se construire que par essais et erreurs », note-t-il.
La pratique a appris à Stirling qu’il y a une grande différence entre utiliser une imprimante 3D en laboratoire et le faire sur le terrain. L’impression 3D de filament plastique dans le climat humide de la Tanzanie est généralement plus difficile que dans un laboratoire à climat contrôlé, car l’humidité affecte le filament plastique, ce qui entraîne un plus grand nombre d’impressions ratées. En outre, les coupures de courant ne sont pas rares, et seules certaines imprimantes peuvent reprendre l’impression d’un objet à moitié terminé après le retour du courant. Stirling et son équipe ne peuvent pas faire grand-chose contre le climat, mais ils utilisent des alimentations électriques ininterrompues pour s’assurer que leurs travaux d’impression se déroulent jusqu’à la fin, dit-il.
Organes semblables à la vie
Ahmed Ghazi, chirurgien urologue au centre médical de l’Université de Rochester à New York, utilise l’impression 3D pour créer des organes humains non fonctionnels, que les chirurgiens peuvent utiliser pour pratiquer la chirurgie assistée par robot. Pour des procédures relativement simples, comme l’ablation d’une rate, cette pratique n’est guère nécessaire. Mais les procédures plus complexes, comme l’excision d’une tumeur, peuvent varier énormément d’un patient à l’autre. Comme le fait remarquer Ghazi, « les tumeurs ne figurent pas dans les manuels scolaires »
Ghazi commence par des tomographies 3D assistées par ordinateur des tissus du patient, puis introduit les données dans le logiciel commercial de modélisation médicale Mimics, de Materialise à Louvain, en Belgique, et Meshmixer, un outil gratuit d’Autodesk à San Rafael, en Californie, pour créer des modèles 3D. Il imprime ensuite ces modèles sous la forme de moules creux en plastique à l’aide d’une imprimante FFF, insère des répliques de vaisseaux sanguins qui se connecteront à une fausse pompe à sang et injecte dans le moule un hydrogel qui se solidifiera en un objet présentant la rigidité d’un organe. Les structures qui en résultent sont suffisamment réalistes pour que les chirurgiens puissent pratiquer leurs interventions avec des conséquences réelles, notamment des saignements.
Ghazi dit que lui et son équipe utilisent ces modèles pour jusqu’à quatre cas de chirurgie par semaine. Dans chaque cas, ils créent deux copies des modèles et choisissent la représentation la plus précise. Et ils forment d’autres médecins à l’application de cette technologie dans des domaines tels que la chirurgie cardiaque et hépatique. « C’est définitivement quelque chose qui est en train de prendre beaucoup plus d’ampleur », dit Ghazi.
Mais des imperfections subsistent. Les moules produits par les imprimantes FFF présentent souvent des crêtes et des creux minuscules, dit Ghazi. Ces défauts sont souvent trop petits pour être vus à l’œil nu, mais ils sont parfaitement visibles pour la caméra robotisée, ce qui peut affecter l’expérience du chirurgien. La solution de M. Ghazi consiste à étaler une couche de cire à température ambiante sur l’intérieur du moule, ce qui permet de combler les crêtes et les creux et de lisser le produit final. « Ces petites choses font la différence », dit-il.
Répliques de roches
Pour Mehdi Ostadhassan, ingénieur pétrolier à l’Université du Dakota du Nord à Grand Forks, l’impression 3D constitue un outil pour optimiser l’extraction du pétrole et du gaz de la roche.
Ostadhassan imprime des « roches » à l’aide de programmes tels qu’OpenSCAD et le logiciel commercial de conception 3D assistée par ordinateur AutoCAD (d’Autodesk) en combinaison avec diverses imprimantes 3D et divers matériaux. Ces modèles de roches ont des propriétés physiques réalistes, notamment des pores minuscules et détaillés, et Ostadhassan les soumet à des contraintes physiques pour mieux comprendre comment le liquide s’écoule à travers leurs équivalents dans la vie réelle.
Pour créer les roches les plus réalistes, Ostadhassan utilise une série d’approches d’impression, notamment la technologie du jet de liant, dans laquelle un agent liant liquide est appliqué couche par couche sur de la poudre de gypse ou du sable de silice. Ce procédé permet de produire des objets dont les propriétés mécaniques imitent fidèlement celles des vraies roches. Mais la poudre non liée peut aussi rester coincée dans les pores, explique M. Ostadhassan, ce qui diminue la qualité du produit final. Et pour certaines expériences, il doit appliquer un traitement hydrofuge pour obtenir une bonne « mouillabilité ». Les imprimantes stéréolithographiques sont meilleures pour imprimer des roches avec des pores détaillés afin de permettre l’étude des propriétés d’écoulement des liquides, mais les modèles qu’elles produisent ne sont pas aussi solides que les roches imprimées au jet de liant.
Ainsi, Ostadhassan collabore avec d’autres chercheurs pour développer une imprimante personnalisée qui peut imiter ces pores et ces fissures tout en produisant des modèles ayant la même résistance mécanique que les vraies roches.
Métal lourd
Les imprimantes 3D d’aujourd’hui peuvent sortir une gamme de matériaux – mais pas tous. « Le matériau pour l’impression 3D est très, très limité », explique Yang Yang, directeur général d’UniMaker à Shenzhen, en Chine, qui fabrique des imprimantes 3D à usage scientifique. Mais la recherche dans ce domaine est intense et les choses évoluent. La bio-impression, qui permet de créer des matériaux biologiques structurés, est un domaine en pleine expansion. Jin-Ye Wang, chercheur en sciences biomédicales à l’université Jiao Tong de Shanghai, en Chine, indique que son établissement a acquis un appareil de ce type pour l’utiliser en classe. Ces bioprinters mélangent des cellules et des hydrogels pour créer des structures telles que des os et des modèles de tumeurs.
Un autre domaine de croissance, selon Mme Yang, est celui des métaux. Les imprimantes compatibles avec les métaux utilisent un faisceau d’électrons ou un laser pour faire fondre des poudres métalliques selon des modèles définis. Jeremy Bourhill, un physicien de l’université de Western Australia à Perth qui fait des recherches sur la matière noire, étudie l’utilisation d’imprimantes 3D à métaux basées sur le laser pour construire un maillage de niobium supraconducteur. Cela pourrait être utilisé pour bloquer les champs magnétiques puissants qui interféreraient avec la détection de la matière noire, explique Bourhill.
L’utilisation de l’usinage conventionnel pour créer le maillage nécessiterait des lubrifiants toxiques et gaspillerait une quantité importante de niobium, ce qui est coûteux. L’équipe de Bourhill utilise donc des lasers à haute puissance pour faire fondre et fusionner des sections transversales de poudre métallique. Mais comme le point de fusion du niobium est d’environ 2 500 °C, le processus nécessite une quantité considérable d’énergie. « Le niobium est un matériau très résistant », explique M. Bourhill.
Il fut un temps où les chercheurs comme Bourhill auraient été limités dans leurs options. Mais avec la disponibilité accrue des imprimantes 3D, un changement fondamental s’est produit, explique Yusheng Shi, ingénieur en matériaux à l’université Huazhong des sciences et technologies de Wuhan, en Chine : l’impression 3D permet une fabrication personnalisée, supplantant la fabrication centralisée. Comme le montrent ces exemples, les chercheurs n’ont fait qu’effleurer la surface de ce qu’ils peuvent faire avec cette puissance.