Fabrication additive de micro

Nature volume 612, pages 685-690 (2022)Citer cet article

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Détails des métriques

La fabrication additive métallique (FA) permet la production de composants1 de grande valeur et de hautes performances avec des applications allant des domaines aérospatial2 au biomédical3. La fabrication couche par couche contourne les limitations géométriques des techniques traditionnelles de travail des métaux, permettant de fabriquer rapidement et efficacement des pièces topologiquement optimisées4,5. Les techniques de fabrication additive existantes reposent sur la fusion ou le frittage initié thermiquement pour la mise en forme des pièces, un processus coûteux et limité en matériaux6,7,8. Nous rapportons une technique de fabrication additive qui produit des métaux et des alliages avec une résolution micrométrique via une photopolymérisation en cuve (VP). Les hydrogels à architecture tridimensionnelle sont infusés de précurseurs métalliques, puis calcinés et réduits pour convertir les échafaudages d'hydrogel en répliques métalliques miniaturisées. Cette approche représente un changement de paradigme en matière de VP ; le matériau n'est sélectionné qu'après la fabrication de la structure. Contrairement aux stratégies VP existantes, qui incorporent des matériaux cibles ou des précurseurs dans la photorésine lors de l'impression9,10,11, notre méthode ne nécessite pas de réoptimisation des résines et des paramètres de durcissement pour différents matériaux, ce qui permet une itération rapide, un réglage de la composition et la capacité de fabriquer plusieurs matériaux. Nous démontrons la FA de métaux avec des dimensions critiques d'environ 40 µm qui sont difficiles à fabriquer à l'aide de procédés conventionnels. Ces métaux dérivés d’hydrogels ont des microstructures hautement jumelées et une dureté inhabituellement élevée, ouvrant la voie à la création de micromatériaux métalliques avancés.

La fabrication additive métallique est principalement réalisée via des processus de fusion sur lit de poudre12 et de dépôt d’énergie dirigée13. Les processus couche par couche permettent la fabrication de multimatériaux métalliques14 et de composites fonctionnellement classés15, mais ces processus basés sur le laser ont du mal à produire des matériaux tels que le cuivre ; une conductivité thermique élevée et une faible capacité d'absorption du laser entraînent des difficultés d'initiation thermique et de localisation de la fusion ou du frittage16. La photopolymérisation en cuve (VP) est une alternative prometteuse qui utilise la polymérisation radicalaire initiée par la lumière pour façonner les pièces. L'impression par traitement numérique de la lumière (DLP) y parvient en projetant des images bidimensionnelles de lumière ultraviolette dans un bain de photorésine pour durcir simultanément une couche entière de la structure tridimensionnelle (3D). Le DLP est capable d’atteindre des vitesses d’impression élevées17, a été démontré avec une résolution submicrométrique18 et a diverses applications commerciales, depuis la fabrication directe de semelles de chaussures19 jusqu’aux écouvillons de test COVID-1920. VP a été développé principalement pour être utilisé avec des polymères21,22,23 et a également été démontré pour les verres9 et les céramiques10. Cependant, la sélection de matériaux inorganiques reste limitée en raison des difficultés liées à l’incorporation de précurseurs appropriés dans les photorésines sous forme de solutions24, de boues25 ou de mélanges inorganiques-organiques26. Par conséquent, la fabrication de métaux via VP reste un défi. Oran et coll. a démontré la fabrication additive d'argent à l'échelle nanométrique en utilisant des hydrogels comme « réacteurs de nanofabrication »27,28 dans lesquels l'activation à deux photons guide l'infiltration de précurseurs pour déposer volumétriquement des matériaux 3D. Viatskikh et al. a démontré la fabrication additive de nickel à l'échelle nanométrique en utilisant une lithographie à deux photons pour modéliser des résines inorganiques-organiques contenant des acrylates de nickel, suivie d'une pyrolyse et d'une réduction de H226. Cependant, ces travaux pionniers sont limités en termes de matériaux, nécessitant une conception de résine complexe et une optimisation pour chaque nouveau matériau. D'autres techniques de fabrication additive métallique moins couramment utilisées, telles que l'écriture directe à l'encre et le jet de matériau, utilisent respectivement l'extrusion à partir d'une buse et le dépôt contrôlé d'un liant pour définir la forme de la pièce. Ces méthodes évitent les défis liés à l’utilisation de la chaleur pour définir la forme des pièces ; des matériaux en cuivre ont été fabriqués par écriture directe à l'encre29 et par projection de matériau30, mais aucune des deux techniques n'a produit de pièces en cuivre avec des tailles de caractéristiques inférieures à 100 µm.