Guide du débutant sur l'impression 3D en silicone

[Crédit image :ACEO]

L'impression 3D au silicone est une technologie nouvelle, mais extrêmement polyvalente, qui peut être appliquée dans la plupart des secteurs, notamment les secteurs de la santé, de la robotique et de l'automobile.

Aujourd'hui, il est utilisé dans le prototypage et la production à faible volume, permettant aux entreprises de produire de plus petits lots de pièces plus rapidement et plus économiquement.

Dans ce guide, nous allons explorer ce qui stimule la demande d'impression 3D en silicone, les technologies clés disponibles sur le marché et les applications qui profitent le plus de l'impression 3D en silicone.

L'essor de l'impression 3D silicone

Le silicone est un matériau qui abonde presque universellement, des textiles aux pièces automobiles. Il peut résister à des contraintes et à des températures extrêmes étonnantes, ce qui en fait un matériau recherché dans de nombreux aspects de l'assemblage d'avions et d'engins spatiaux. Grâce à sa biocompatibilité, les silicones sont également très répandus dans les applications de santé.

Jusqu'à récemment, la production de pièces en silicone se faisait principalement par moulage par injection. Cette technologie, cependant, peut être très coûteuse en raison des coûts de moulage élevés, qui peuvent atteindre bien au-dessus de 100 000 $, ce qui rend les coûts de production à faible volume prohibitifs.

De plus, si une entreprise souhaite modifier la conception après avoir produit la première série de pièces, elle doit alors réitérer le moule, ce qui augmente encore le coût et le délai de livraison.

L'impression 3D, en revanche, est plus flexible, car elle ne nécessite pas d'outillage et le coût du processus n'est pas déterminé par le volume. Combiner l'impression 3D et le silicone est donc parfaitement logique lorsque de faibles volumes de pièces sont nécessaires.

Malgré les avantages de cette combinaison, l'impression 3D en silicone n'a été développée que récemment, notamment en raison de la nature du matériau.

Le silicone a une viscosité élevée, il est donc souvent difficile d'imprimer en 3D le matériau de la même manière que d'autres polymères. De plus, le silicone se solidifie généralement à des températures élevées, ce qui est souvent difficile à réaliser pour les imprimantes 3D polymères.

Cependant, le marché de l'impression 3D en silicone a commencé à se développer progressivement, poussé à la fois par la demande croissante et l'innovation dans les technologies d'impression 3D sur silicone.

Technologies d'impression 3D en silicone

ACEO, une division du géant allemand de la chimie Wacker Chemie AG, a été la première entreprise à développer une technologie d'impression 3D de silicone pur.

Dévoilée pour la première fois en 2016, la technologie d'ACEO utilise une technique de « goutte à la demande » qui fonctionne de manière similaire aux technologies à jet d'encre. Le processus commence par le dépôt de gouttelettes de matériau sous la forme d'une seule couche, qui est ensuite durcie à la lumière UV. La couche suivante de gouttelettes de silicone est ensuite appliquée et la lumière UV la lie à la précédente. Le processus est répété jusqu'à ce que l'objet soit terminé.

En plus d'être la première technologie d'impression 3D à produire des pièces à 100 % en silicone, le processus d'ACEO crée des pièces aux propriétés mécaniques isotropes (uniformes dans toutes les directions) comparables au moulage par injection.

De plus, le procédé ACEO est également multi-matériaux, ce qui signifie qu'il est possible de produire des pièces avec des couleurs différentes et des degrés de dureté variables.

L'année dernière, ACEO a encore amélioré sa technologie en lançant une nouvelle imprimante 3D ACEO Imagine Series K2, qui permet d'imprimer des pièces en 3D avec jusqu'à quatre matériaux de silicone différents simultanément.

En tant que l'un des premiers entrants dans le domaine de l'impression 3D en silicone, la technologie d'ACEO est demandée dans une variété d'industries, notamment les industries des biens industriels, chimiques, médicales et dentaires.

Imprimante 3D LOCTITE de Henkel 

Henkel est une autre entreprise chimique active dans le domaine de l'impression 3D en silicone. L'entreprise a lancé son imprimante 3D en silicone et deux matériaux en silicone qui l'accompagnent sous la marque Loctite en 2018. 

L'imprimante 3D est basée sur une technologie de traitement numérique de la lumière (DLP), grâce à laquelle une résine photopolymère liquide est durcie sous une source lumineuse. En plus des résines de silicone, le système peut traiter une large gamme d'autres matériaux, développés à la fois par Henkel et d'autres fabricants de matériaux. Cela signifie que l'imprimante 3D est une plate-forme matérielle ouverte, qui offre une flexibilité beaucoup plus grande aux utilisateurs de la technologie, car ils ne sont pas limités à une seule marque de matériau.

Service d'impression 3D silicone de Spectroplast 

En plus de grandes entreprises comme Henkel et ACEO, quelques start-ups sont entrées sur le marché de l'impression 3D en silicone avec leur propre approche de la technologie. L'entreprise suisse Spectroplast est l'une de ces entreprises.

Spectroplast a lancé son activité d'impression 3D en silicone en septembre de l'année dernière, après des années de recherche et de développement d'une imprimante 3D basée sur le DLP.

La méthode DLP « donne une résolution beaucoup plus grande et, par conséquent, une finition de surface améliorée », déclare Petar Stefanov, CTO chez Spectroplast, s'exprimant dans une interview avec AMFG.

Le procédé de Spectroplast serait également « au moins 10 fois [plus rapide] par rapport aux méthodes d'impression 3D conventionnelles pour le silicone ».

Au fur et à mesure que l'entreprise poursuit sa croissance, elle prévoit de lancer une nouvelle génération de matériaux en silicone, ainsi que de développer la technologie à un niveau comparable aux normes de moulage par injection.

Soutenu par un investissement récent de 1,38 million d'euros en financement d'amorçage, Spectroplast est en bonne voie avec ces objectifs et en bonne position pour revendiquer une part du marché en croissance du silicone.

Technologie LAM de German RepRap 

Une autre technologie d'impression 3D en silicone intéressante a été développée par German RepRap. L'entreprise est spécialisée dans les imprimantes 3D par extrusion; cependant, sa technologie d'impression 3D en silicone est basée sur une approche totalement différente.

La technologie de fabrication additive liquide (LAM), comme German RepRap a surnommé le processus, fonctionne avec des polymères liquéfiés, y compris des silicones qui sont déposés couche par couche. Ensuite, chaque couche est vulcanisée et collée avec une précédente sous exposition à la chaleur.

On dit que le processus de vulcanisation produit des pièces imprimées en 3D LAM avec presque les mêmes propriétés que les pièces moulées par injection.

Le processus LAM a été dévoilé pour la première fois à Formnext 2018, avec la première imprimante 3D LAM prête pour la production, la L280. La société s'est efforcée de développer davantage la technologie à usage industriel et a lancé l'année dernière une nouvelle imprimante 3D L320 LAM.

Il convient également de noter que le mois dernier, German RepRap a été acquis par la société de fabrication de machines Arburg, qui fabrique également des imprimantes 3D. Il sera intéressant de voir comment l'acquisition aura un impact sur la feuille de route de la technologie LAM. Peut-être verrons-nous Arburg développer une imprimante 3D en silicone basée sur LAM, ou German RepRap continuer à développer la technologie LAM sous sa marque, désormais soutenue par un grand groupe technologique.

Dans tous les cas, il est peu probable que le développement de la technologie LAM s'arrête, compte tenu de la demande croissante de silicones imprimés en 3D et de la très faible concurrence.

Applications d'impression 3D en silicone

Soins de santé 

Grâce aux propriétés du matériau, telles que la non-toxicité, la biocompatibilité et la résistance à la lumière UV et aux produits chimiques, l'impression 3D en silicone est particulièrement adaptée aux applications dans le secteur de la santé.

Ceux-ci incluent les prothèses auditives, les masques, les prothèses, les revêtements prothétiques, les stents trachéaux et les valves cardiaques, ainsi que les semelles orthopédiques.

Essentiellement, l'impression 3D en silicone permet de personnaliser ces appareils de manière rentable, ce qui se traduit par un meilleur ajustement pour les patients.

Dans un exemple, partagé par Spectroplast, l'impression 3D en silicone a été appliquée pour produire des prothèses mammaires personnalisées pour les patientes atteintes d'un cancer du sein.

Dans une procédure, connue sous le nom de mastectomie, «une partie du sein est retirée et la plupart des patientes doivent opter pour une prothèse externe, essentiellement un objet en silicone porté dans un soutien-gorge. Aujourd'hui, ceux-ci sont disponibles dans quelques tailles standardisées et encore moins de formes standardisées et ne s'adaptent généralement pas parfaitement à l'anatomie du patient », explique Petar Stefanov.

Grâce au service d'impression 3D en silicone Spectroplast, les hôpitaux peuvent désormais proposer aux patients des prothèses sur mesure qui conserveront également la symétrie d'origine.

Dans un autre cas, Loctite a aidé un fabricant de respirateurs à produire 100 tubes en silicone pour l'un de ses produits de ventilation. Le moulage par injection n'était pas possible dans cette situation, en grande partie à cause des contraintes de conception - les tubes étaient presque impossibles à fabriquer, en raison de leur très petit noyau creux. C'est pourquoi l'entreprise s'est tournée vers l'impression 3D, connue pour sa capacité à créer des fonctionnalités et des détails complexes avec peu de limitations.

En fin de compte, les 100 tubes en silicone transparent ont été imprimés en 3D à raison de 30 pièces par jour et à un coût de 19 $ par pièce, ce qui est nettement inférieur aux 190 $ par pièce proposés pour le moulage par injection. En plus des économies, le délai a également été réduit de quatre à six semaines pour l'outillage dur, à seulement quelques jours ouvrables.

Robotique

Dans l'industrie des biens industriels, l'impression 3D en silicone est utilisée pour prototyper et fabriquer de la robotique souple. Les robots souples sont construits à partir de matériaux très flexibles, permettant de nouveaux mouvements de robot similaires à des organismes vivants que les robots traditionnels ne peuvent pas reproduire. De plus, les robots mous offrent une excellente adaptabilité à leur environnement et sont plus sûrs autour des humains.

La start-up allemande Formhand a développé une pince universelle pour des applications polyvalentes dans tous les secteurs, à l'aide de l'impression 3D en silicone. L'équipe a utilisé le service d'impression 3D en silicone d'ACEO pour prototyper plusieurs modèles de pinces. Grâce à la technologie, ils ont pu créer des composants personnalisés rapidement et à faible coût.

Autres candidatures

En plus des applications mentionnées ci-dessus, l'impression 3D en silicone convient à la production de capots pour composants électroniques, pour les protéger de la chaleur extrême, de l'humidité, du sel, de la corrosion et de la saleté.

De plus, la technologie peut être utilisée pour fabriquer des joints pour des applications chimiques et automobiles. Dans l'industrie dentaire, les orthodontistes appliquent l'impression 3D en silicone pour créer des modèles dentaires, qui sont ensuite utilisés pour créer divers dispositifs dentaires, comme des couronnes.

L'avenir de l'impression 3D silicone

De toute évidence, le ciel est la limite pour les applications d'impression 3D en silicone. Cependant, en raison de l'émergence de la technologie, son taux d'adoption est faible. De nombreuses entreprises ignorent encore les capacités de la technologie ou hésitent à l'adopter en raison de sa nouveauté.

Cela dit, compte tenu de l'innovation continue dans cet espace et de l'afflux de nouvelles entreprises, l'impression 3D en silicone est en passe de devenir une alternative viable aux autres technologies de fabrication de silicone. La demande de pièces imprimées en 3D en silicone est là – et en croissance – suggérant que l'avenir de la technologie sera à la fois passionnant et percutant.