L'impression 3D silicone expliquée : guide débutant pour une production de pointe

[Crédit image : ACEO]

L'impression 3D silicone est une technologie novatrice, mais extrêmement polyvalente, applicable dans la plupart des industries, notamment la santé, la robotique et l'automobile.

Aujourd'hui, elle est utilisée pour le prototypage et la production en faible volume, permettant aux entreprises de produire de plus petits lots de pièces plus rapidement et plus économiquement.

Dans ce guide, nous explorerons ce qui alimente la demande pour l'impression 3D silicone, les technologies clés disponibles sur le marché et les applications qui en bénéficient le plus.

L'essor de l'impression 3D silicone

Le silicone est un matériau quasi universel, du textile aux pièces automobiles. Il résiste à des contraintes et extrêmes de température étonnants, ce qui en fait un matériau recherché dans de nombreux aspects de l'assemblage aéronautique et spatial. Grâce à sa biocompatibilité, les silicones sont aussi répandus dans les applications de santé.

Jusqu'à récemment, la production de pièces en silicone se faisait principalement par moulage par injection. Cette technologie peut cependant être très coûteuse en raison des coûts de moules élevés, pouvant dépasser 100 000 $, rendant la production en faible volume prohibitive.

De plus, si une entreprise souhaite modifier le design après la première série de pièces, elle doit refaire le moule, ajoutant encore aux coûts et délais.

L'impression 3D, en revanche, est plus flexible, car elle ne nécessite pas d'outillage et le coût du processus n'est pas dicté par le volume. Combiner impression 3D et silicone a donc tout son sens quand de faibles volumes de pièces sont nécessaires.

Malgré les avantages de cette combinaison, l'impression 3D 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 de l'imprimer en 3D 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 atteindre pour les imprimantes 3D polymères.

Cependant, le marché de l'impression 3D silicone a commencé à s'étendre progressivement, porté à la fois par la demande croissante et l'innovation dans les technologies d'impression 3D silicone.

Technologies d'impression 3D silicone

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

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

Outre être la première technologie d'impression 3D à produire des pièces 100 % 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 processus d'ACEO est aussi multi-matériaux, ce qui signifie qu'il est possible de produire des pièces avec différentes couleurs et degrés de dureté variables.

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

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

Imprimante 3D LOCTITE de Henkel

Henkel est une autre entreprise chimique active dans l'impression 3D silicone. La compagnie a lancé son imprimante 3D silicone et deux matériaux silicone associés sous la marque Loctite en 2018.

L'imprimante 3D est basée sur une technologie de Traitement Numérique de Lumière (DLP), où une résine photopolymère liquide est durcie sous une source de lumière. En plus des résines silicone, le système peut traiter une large gamme d'autres matériaux, développés par Henkel et d'autres fabricants de matériaux. Cela signifie que l'imprimante 3D est une plateforme à matériaux ouverts, offrant une bien plus grande flexibilité 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 des grandes entreprises comme Henkel et ACEO, quelques start-ups sont entrées sur le marché de l'impression 3D silicone avec leur propre approche. L'entreprise suisse Spectroplast en est une.

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

La méthode DLP « offre une résolution bien supérieure et donc une finition de surface améliorée », déclare Petar Stefanov, CTO chez Spectroplast, dans une interview avec AMFG.

Le processus de Spectroplast est également dit « au moins 10 fois plus rapide comparé aux méthodes d'impression 3D conventionnelles pour le silicone ».

Alors que l'entreprise continue de croître, elle prévoit de lancer une nouvelle génération de matériaux silicone, ainsi que de développer la technologie au niveau comparable aux standards du moulage par injection.

Soutenue par un investissement récent de 1,38 million d'euros en financement d'amorçage, Spectroplast est bien partie pour atteindre ces objectifs et bien positionnée pour revendiquer une part du marché croissant du silicone.

Technologie LAM de German RepRap

Une autre technologie d'impression 3D silicone intéressante a été développée par German RepRap. L'entreprise se spécialise dans les imprimantes 3D par extrusion ; cependant, sa technologie d'impression 3D silicone repose sur une approche entièrement différente.

La technologie de Fabrication Additive Liquide (LAM), comme German RepRap a baptisé le processus, travaille avec des polymères liquéfiés, incluant les silicones, qui sont déposés couche par couche. Chaque couche est ensuite vulcanisée et liée à la précédente sous exposition à la chaleur.

Le processus de vulcanisation est dit produire des pièces imprimées en 3D LAM avec des propriétés quasi identiques aux pièces moulées par injection.

Le processus LAM a été dévoilé pour la première fois au Formnext 2018, avec la première imprimante LAM prête pour la production, la L280. L'entreprise a travaillé à développer davantage la technologie pour l'usage industriel et a lancé une nouvelle imprimante 3D LAM L320 l'an dernier.

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

En tout cas, il est peu probable que le développement de la technologie LAM s'essouffle, étant donné la demande croissante pour les silicones imprimés en 3D et la très faible concurrence.

Applications de l'impression 3D silicone

 

Santé

Grâce aux propriétés du matériau, comme la non-toxicité, la biocompatibilité et la résistance aux UV et aux produits chimiques, l'impression 3D silicone est particulièrement adaptée aux applications dans l'industrie de la santé.

Celles-ci incluent les appareils auditifs, masques, prothèses, doublures prothétiques, stents trachéaux et valves cardiaques, ainsi que les semelles orthopédiques.

Essentiellement, l'impression 3D silicone permet à ces dispositifs d'être personnalisés de manière rentable, résultant en un meilleur ajustement pour les patients.

Dans un exemple partagé par Spectroplast, l'impression 3D silicone a été appliquée pour produire des prothèses mammaires personnalisées pour patientes atteintes de 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, celles-ci existent en quelques tailles standardisées et encore moins de formes standardisées et ne s'adaptent généralement pas parfaitement à l'anatomie de la patiente », explique Petar Stefanov.

En utilisant le service d'impression 3D silicone de Spectroplast, les hôpitaux peuvent maintenant offrir aux patientes des prothèses sur mesure qui conserveront aussi 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 faisable dans cette situation, largely en raison des contraintes de conception — les tubes étaient presque impossibles à fabriquer, en raison de leur noyau creux très petit. C'est pourquoi l'entreprise s'est tournée vers l'impression 3D, connue pour sa capacité à créer des caractéristiques et détails complexes avec peu de limitations.

Finalement, les 100 tubes en silicone transparents ont été imprimés en 3D à un rythme de 30 pièces par jour, à un coût de 19 $ par pièce — significativement inférieur aux 190 $ par pièce cotés pour le moulage par injection. En plus des économies, le délai a aussi 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 silicone est utilisée pour prototyper et fabriquer de la robotique souple. Les robots souples sont construits à partir de matériaux hautement flexibles, permettant de nouveaux mouvements robotiques similaires aux organismes vivants que les robots traditionnels ne peuvent pas reproduire. De plus, les robots souples offrent une excellente adaptabilité à leur environnement et sont plus sûrs autour des humains.

La start-up allemande Formhand a développé un préhenseur universel pour applications multi-usages à travers les industries, avec l'aide de l'impression 3D silicone. L'équipe a utilisé le service d'impression 3D silicone d'ACEO pour prototyper plusieurs designs de préhenseur. Grâce à la technologie, ils ont pu créer des composants personnalisés rapidement et à faible coût.

Autres applications

En plus des applications mentionnées ci-dessus, l'impression 3D silicone est adaptée pour produire des caches pour composants électroniques, les protégeant de la chaleur extrême, l'humidité, le sel, la corrosion et la saleté.

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

L'avenir de l'impression 3D silicone

Clairement, les possibilités sont illimitées pour les applications d'impression 3D silicone. Cependant, en raison de la nacence de la technologie, son taux d'adoption est faible. De nombreuses entreprises ignorent encore les capacités de la technologie ou restent hésitantes à l'adopter en raison de sa nouveauté.

Cela dit, étant donné l'innovation continue dans cet espace et l'afflux de nouvelles entreprises, l'impression 3D silicone est appelée à devenir une alternative viable aux autres technologies de fabrication du silicone. La demande pour des pièces en silicone imprimées en 3D est là — et croissante — suggérant que l'avenir de la technologie sera à la fois excitant et impactant.