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Le rêve de n'importe où – Le moteur

Le rêve de n'importe où - Le moteur


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Pendant des décennies, l'impression 3D semblait avoir un potentiel magique pour construire des objets à partir de rien. Est-ce qu'il commence enfin à être à la hauteur du battage médiatique?

Par Michael Blanding pour le moteur
Illustrations de
Rodrigo Larraín Et Julie Carles

C'est un vendredi après-midi occupé dans les bureaux et les usines de Desktop Metal à Burlington, dans le Massachusetts. Des hommes et des femmes en costume et kakis s'affairent autour de l'entrée, ramassant des assiettes de sandwiches et des biscuits, tandis que des dizaines de codeurs sont entassés dans les postes de travail. dans chaque pouce d'espace au sol. «Je fais une double réservation ici, j'ai des clients, des revendeurs à valeur ajoutée, des revendeurs…», s'excuse le PDG, Ric Fulop, alors qu'il se laisse tomber dans une chaise dans une salle de conférence.

Il peut être pardonné d'avoir l'air si stressé. Au cours des trois années qui ont suivi sa fondation, Desktop Metal a réuni près de 450 millions de dollars de capital de risque pour sa technologie d’impression 3D sur métal. En janvier, il avait atteint une valeur de 1,5 milliard de dollars, obtenant le statut de «licorne» et donnant de l’espoir à une industrie qui semblait parfois plus exagérée que la réalité. "Il n'y a pas de battage publicitaire", insiste Fulop. «Il y a trente ans, il s'agissait d'une industrie de zéro milliard de dollars. Lorsque nous avons abordé cette question il y a trois ans et demi, notre industrie représentait 5 milliards de dollars. C’est maintenant une industrie de 9 milliards de dollars. Nous pensons que ce sera 10 fois plus grand au cours de la prochaine décennie. "

La technologie de pointe de Desktop Metal repose sur un nouveau processus d’impression qui construit les objets en métal, couche par couche, puis les allume dans un four pour les durcir. «En séparant la mise en forme de la pièce de la thermodynamique, cela nous permet de fabriquer des imprimantes rentables et suffisamment rapides pour une production en série», explique Fulop. Son système Studio, adapté aux petites entreprises et aux ateliers d’usinage, coûte environ 750 000 dollars, tandis que ses machines de système de production s’élèvent à plus de 1,5 million de dollars, conçues pour la fabrication industrielle à haut débit.

Système de production de métal de bureau

«J'ai une petite partie que je pourrais vous montrer à l'arrière», dit Fulop. «Une machine effectue un quart de million de pièces par jour - cent fois plus rapidement que la technologie de la génération précédente.» En outre, le procédé utilise beaucoup moins de poudre de métal que les techniques précédentes. Au lieu de coûter 1 000 dollars le kilo de pièces, il en coûte 50 $. «C’est donc 20 fois le coût d’une pièce finie.» Avec de tels gains d’efficacité, l’impression 3D pourrait concurrencer les processus de fabrication traditionnels. «C’est là que nous allons avec notre système de production: nous pouvons entrer sur le marché où une grande partie du capital est dépensée.»

Une industrie à la pointe

En 1993, The Diamond Age, le livre de science-fiction de Neal Stephenson, imaginait un monde dans lequel les familles du futur pourraient créer tout ce qu’elles voulaient sur une machine spécialisée appelée «compliant». Les vêtements ne vous vont plus? Vous pouvez les jeter dans une corbeille de recyclage, où elles seraient déchirées molécule par molécule et reconstituées au moyen de la nanotechnologie dans une nouvelle tenue conçue sur mesure. Au niveau industriel, des machines massives pourraient imprimer des bâtiments en diamant, voire des îles artificielles entières au large des côtes.

[L-R] Ric Fulop, fondateur et PDG, Desktop Metal; Jennifer Lewis, professeure à l'Université Harvard et cofondatrice de Voxel8; Dayna Grayson, associée, NEA

Au moment où Stephenson écrivait, la technologie d'impression 3D en était à ses balbutiements, mais semblait posséder un potentiel illimité pour créer quoi que ce soit à la maison. Aussi connu sous le nom la fabrication additive - dans la mesure où il crée des formes en ajoutant du matériau couche par couche, plutôt que de le supprimer par usinage ou de le créer par moulage par injection - l'impression 3D présente théoriquement de nombreux avantages par rapport à la fabrication traditionnelle. Cela peut permettre la création de géométries complexes et une itération sans fin de conceptions, conduisant à des prototypes en quelques heures plutôt qu'en quelques jours ou semaines.

D'autre part, le processus de construction peut être excessivement lent, et donc coûteux, et des matériaux limités et une faible résolution peuvent entraîner une qualité inférieure. Plus de trois décennies après son apparition, la fabrication additive est restée un processus de niche, réglementée pour fabriquer des prototypes ou des gabarits et des montages bon marché afin de faciliter la fabrication plutôt que les produits eux-mêmes. Aussi récemment qu'en 2016, Inc. le magazine a déclaré que la technologie était "en train de mourir".

Cependant, au cours des cinq dernières années, les nouvelles technologies de fabrication additive - dont bon nombre ont été développées au MIT - et une série d’entreprises innovantes, comme le groupe Desktop Metal basé dans la région de Boston, ont connu une poussée fulgurante. «De petites avancées dans les plates-formes développées il y a 30 ans entraînent des changements absolument énormes dans leur viabilité en tant que plate-forme de fabrication», déclare Jennifer Lewis, professeur Hansjörg Wyss de génie inspiré biologiquement à l'Université de Harvard et cofondateur de l'additif entreprise de fabrication Voxel8. "Ils permettent d'obtenir une finition de surface plus élevée, un débit plus élevé et des vitesses de fabrication plus rapides."

Cela a finalement mis la fabrication additive sur le point de pouvoir concurrencer les technologies plus traditionnelles en tant que méthode de production, et pas seulement de prototypage. Il a déjà fait son chemin dans des industries telles que l’aérospatiale, la défense, la bijouterie et les appareils médicaux et dentaires, qui nécessitent toutes des outils et des équipements spécialisés. L'analyste du secteur, Wohlers Associates, prévoit des revenus de 9,8 milliards de dollars l'an dernier, pour atteindre 15,8 milliards de dollars en 2020 et 35,6 milliards de dollars en 2024. (Bien que la société ne sépare pas les revenus de la fabrication de polymères et de métaux, les imprimantes 3D en métal représentent plus du tiers de l’ensemble des ventes d’imprimantes l’an dernier, soit 948 millions de dollars sur 2,6 milliards de dollars).

La question, cependant, est de savoir si la fabrication additive peut sortir des industries spécialisées pour être adoptée plus largement dans l’ensemble de la fabrication. «Il reste moins de 1% de la plupart des marchés manufacturiers, il est donc encore difficile d’atteindre un point critique», déclare Dayna Grayson, ingénieur et investisseur chez New Enterprise Associates (NEA). «Les marchés sont si vastes que, d’ici à 5%, il est possible de créer des entreprises de taille très significative.»

Richard D’Aveni, professeur à la Tuck School of Business de Dartmouth et auteur de l’ouvrage de 2019 intitulé «La révolution panindustrielle», prédit que, dans cinq à dix ans, la fabrication additive pourrait bien changer fondamentalement la façon dont le monde crée ses produits. Plutôt que de produire des articles en Chine et dans d’autres pays, les sociétés telles que GE seront en mesure de créer ses produits dans de petites usines, pour la plupart automatisées, situées partout aux États-Unis, ce qui réduira considérablement les coûts liés aux déchets et à l’expédition. Cependant, il faudra déployer des efforts et innover pour surmonter le gouffre. «L’ensemble du secteur est à un point d'inflexion, mais il est un peu en panne», dit-il. «Le passage à la prochaine phase de la fabrication en masse devient un problème important pour presque toutes les technologies.»

Polymères pour le prototypage

L'impression 3D est née en 1983, quand l'ingénieur Chuck Hull rêvait d'un moyen plus rapide de fabriquer des pièces prototypées. «À l’époque, vous conceviez les pièces sur papier, un concepteur d’outils concevait un outil, puis un mouleur à injection injectait le plastique», explique-t-il. «Cela prendrait des semaines et des mois, et si ça ne marchait pas, il fallait tout faire.» À l'époque, il travaillait pour Dupont sur un procédé utilisant les rayons ultraviolets pour «durcir» les photopolymères plastiques afin de recouvrir les placages. set de table. Il se demandait s'il pouvait utiliser le même processus pour créer un objet en trois dimensions. «Je me suis dit que ce ne sont que de fines feuilles de papier. Existe-t-il un moyen de combiner toutes ces couches pour créer un prototype?», Déclare-t-il.

[L-R] Chuck Hull, cofondateur et directeur de la technologie, 3D Systems; Max Lobovsky. Cofondateur et PDG de Formlabs; Richard D’Aveni, professeur de stratégie à la Tuck School of Business du Dartmouth College

La machine qu'il a créée consistait en une plate-forme de construction immergée dans un réservoir de résine, à travers laquelle il a projeté un laser UV à point unique pour dessiner la forme de chaque couche. Une fois guéri, la plate-forme s'est soulevée lentement pour permettre à une nouvelle couche de liquide d'être séchée. Parvenant finalement à créer une petite tasse de collyre, il a qualifié son invention d’appareil de stéréolithographie (SLA), du terme grec qui signifie «écriture sur pierre solide». En 1986, Hull a créé la société 3D Systems, qui figure toujours parmi les leaders de la fabrication additive. . Au fil des ans, la société a perfectionné son processus original, qui se concentrait toujours sur le prototypage, mais s’est également aventuré dans la fabrication.

Systèmes 3D Figure 4 Système de production

En 1998, par exemple, la société Align a commencé à utiliser les imprimantes de 3D Systems pour créer son ensemble progressif d’aligneurs dentaires pour adultes, à la place des appareils orthopédiques. Fabriqués à partir de résine polyuréthane biocompatible, les produits profitent de la personnalisation rapide pour concevoir le dispositif pour la bouche d’un patient donné. Plus récemment, les chirurgiens ont utilisé les imprimantes de la société pour réaliser des guides chirurgicaux afin de les aider à pratiquer les incisions au bon endroit. «Lorsque je prends du recul et que j’examine tous les progrès réalisés, c’est devenu une invention assez incroyable», déclare Hull à propos de son héritage.

L'avantage de SLA est son haut degré de résolution. Ses inconvénients sont notamment la lenteur du processus et la gamme restreinte de matériaux utilisables par photopolymérisation. De plus, étant donné que les couches sont construites les unes après les autres, cela peut conduire à des faiblesses «similaires à celles du schiste» dans la résistance du produit final. La société visait à remédier à ces limitations dans sa dernière imprimante, publiée l’année dernière. Baptisé Figure 4, d'après une figure du brevet original de Hull, il est conçu pour la vitesse, avec une nouvelle gamme de polymères et de membranes de séparation permettant aux couches de se décoller plus rapidement, ainsi qu'une station de polymérisation aux UV séparée pour terminer le processus et augmenter force.

SLA n’est cependant pas le seul type de technologie d’impression 3D. Peu de temps après son invention, l'étudiant diplômé de l'Université du Texas à Austin, Carl Deckard, a utilisé une approche différente, prenant un lit de résine en poudre et utilisant un laser pour chauffer et fondre les granules ensemble. Connue sous le nom de SLS (Selective Laser Sintering), cette technologie a été commercialisée dans les années 1990 et finalement vendue à 3D Systems, qui l’utilise parallèlement au SLA. Une autre société, Arcam, a mis au point un procédé similaire utilisant un faisceau d’électrons; il a été acquis par GE en 2016. SLS présente l'avantage de pouvoir fabriquer des produits plus solides en plastique, nylon et métal, mais il est encore plus lent et plus coûteux que le SLA, et ses matériaux sont également limités.

Le type le plus courant d’impression 3D est apparu en 1989, conçu par l’ingénieur en mécanique Scott Crump du Minnesota. Cherchant à créer une grenouille jouet pour sa fille, il prit un pistolet à colle chaude et le remplit d'un mélange de polyuréthane et de cire de bougie, en extrudant un mince filet de matériau chauffé qui se raidissait lorsqu'il refroidissait. Continuant à expérimenter cette technologie, qu’il a appelée Fused Deposition Modeling (FDM), il a formé avec son épouse Lisa la société Stratasys, devenue depuis la plus grande entreprise d’impression 3D au monde, avec un chiffre d’affaires annuel de plus de 650 millions de dollars.

Ses imprimantes utilisent des buses d’extrusion chauffées pour extraire les filaments de plastique ramollis comme un tube de dentifrice, disposés en couches pour constituer un objet. Le processus est facile à utiliser et plus rapide que SLA ou SLS, et permet une gamme de matériaux beaucoup plus large; Cependant, sa résolution n'est pas aussi élevée et son efficacité pour la production de masse n'est pas encore souvent rentable. Néanmoins, Stratasys l’utilise avec succès pour produire des outils et des prototypes pour quelque 18 000 clients, dont Airbus, Boeing, Lockheed Martin, la NASA, Ford et Volvo. Certains l'ont utilisé pour des pièces de production spécialisées, en particulier dans l'aérospatiale. Boeing, par exemple, affirme économiser 3 millions de dollars sur chaque 787 Dreamliner en imprimant en 3D environ 50 000 pièces par avion.

Rise and Fall et Rise

Sous l'impulsion de la popularité des systèmes FDM, l'avenir de la fabrication additive s'annonçait brillant vers le milieu des années 2000, la technologie semblant en passe de se généraliser. Enter MakerBot, une imprimante 3D compacte conçue par Bre Pettis, une ancienne professeure d'art devenue entrepreneur, a imaginé une imprimante 3D dans chaque foyer, à la manière d'un compilateur de science-fiction. Pettis est apparu sur la couverture du magazine WIRED en octobre 2012, tenant avec confiance l’imprimante MakerBot Replicator 2, avec la ligne de couverture orange vif: «Cette machine va changer le monde».

À ce moment-là, la société avait déjà vendu plus de 5 000 premières versions de sa machine à une foule enthousiaste de pirates informatiques et de bricoleurs. D'autres sociétés telles que PrintrBot et Solidoodle ont couru pour se joindre à la frénésie; 3D Systems a créé son propre système consommateur appelé The Cube; et en 2014, Stratasys a acquis MakerBot lui-même pour plus de 400 millions de dollars. Cependant, les imprimeurs ont vite déçu les consommateurs avec des problèmes matériels constants et des buses d’extrusion encrassées. Plus important encore, il s’est avéré que la plupart des gens ne souhaitaient tout simplement pas payer un supplément de 1 000 dollars ou plus pour une machine permettant d’imprimer des articles en plastique bon marché chez eux.

Les stocks qui avaient été multipliés par 10 ou par 20 entre 2009 et 2014 se sont soudainement effondrés. (3D Systems est passé de 5 $ à 96 $ avant de baisser à 9 $; Stratasys a bondi de 12 $ à 125 $ et est redescendu à 16 $.) Des publications et des analystes qui vantaient l’impression 3D alors que la prochaine révolution la déclarait morte. «Il y avait une vision simpliste selon laquelle les gens allaient fabriquer des objets à la maison», explique Max Lobovsky, qui a observé l’ascension et la chute de MakerBot en tant qu’étudiant diplômé au MIT. "Mais de tout ce que nous avons à la maison, seule une fraction de celle-ci peut être réalisée avec n'importe quelle imprimante 3D."

Malgré tout, Lobovsky avait personnellement profité de l'utilisation d'imprimantes 3D dans les espaces de fabrication numérique du MIT Media Lab, et n'était pas prêt à déclarer la technologie «terminée». Lorsqu'il a terminé sa maîtrise en 2011, il s'est réuni avec deux autres MIT. étudiants à explorer une nouvelle idée pour une imprimante de bureau. Au lieu d'utiliser FDM, il utiliserait le SLA, une technologie qui avait été plus ou moins transmise à des fins personnelles. «Lorsque nous avons démarré, il n'existait que dans ces très grandes machines», déclare Lobovsky.

Lobovsky et ses collègues ont créé une nouvelle technique qui a inversé le processus habituel du SLA. Seul un petit réservoir de résine était donc nécessaire. Ils ont utilisé un laser de lecteurs Blu-Ray, créant un logiciel spécial pour le calibrer. En lançant leur entreprise sous le nom de Formlabs à Somerville, dans le Massachusetts, en 2017, ils ont annoncé leurs nouvelles machines sur Kickstarter, à un prix légèrement supérieur à 3 000 $. Au lieu de cibler les consommateurs à domicile, Formlabs s’adresse aux petites entreprises et aux artisans indépendants, appelés «prosommateurs», qui pourraient ne pas être en mesure d’acheter une machine de 50 000 $ de 3D Systems ou de Stratasys.

Formlabs Form 3 imprimante et composants

La campagne Kickstarter a rapporté 3 millions de dollars en pré-commandes et est restée dans le noir depuis. Son succès a attiré plus de 100 millions de dollars d'investissements de Foundry Group, Autodesk, et de Jeff Immelt, ancien PDG de GE, désormais partenaire de NEA dans le capital-risque, qui valent à Formlabs une évaluation d'un milliard de dollars en août dernier. La société emploie actuellement 600 personnes dans le monde et cherche déjà à en embaucher davantage. Avec une taille de construction d’environ 5 ½ x 5 ½ x 7 pouces, l’endroit idéal de Formlab est le prototypage et les moules. Sa technologie, par exemple, permet d’imprimer des motifs en plastique résistant à la chaleur, utilisés par les bijoutiers comme moules pour le métal, ainsi que des moules pour des liners dentaires et des prothèses auditives conçus sur mesure. En octobre dernier, Formlabs a annoncé un partenariat avec Gillette afin de créer des manches de lame de rasoir sur mesure, avec 48 motifs en 7 couleurs, sous le slogan «Les outils de toilettage pour homme doivent être aussi uniques que lui.»

Outre les moules et la personnalisation de masse, SLA a également adopté une seconde approche en tant que technologie de fabrication en masse. L'une des nouvelles entreprises de fabrication d'additifs les plus prometteuses, Carbon, basée à Redwood City, a débuté avec un concept similaire à la stéréolithographie. Cependant, plutôt que de construire un objet minutieusement couche par couche, elle envisageait un processus rapide et continu. "Nous nous demandions si nous pouvions faire pousser des éléments d'une flaque, comme le T-1000 dans Terminator", a déclaré le fondateur de Carbon, Joe DeSimone, professeur de chimie à l'Université de Caroline du Nord et lauréat du prix Lemelson-MIT en 2008, faisant référence à Le personnage de l'acteur Robert Patrick, ressortissant d'un film de 1991 ressemblant au mercure, est connu dans le film de 1991 Terminator 2: Le jugement dernier. "En d'autres termes, la masse d'un objet peut-elle être dérivée d'une source de résine liquide située en dessous?"

Plateforme de production de carbone

La technique qu'il a développée, appelée production de liquide en continu (CLIP), utilise une fenêtre spéciale qui contrôle le flux de lumière et d'oxygène pour permettre à la résine photopolymère de se solidifier sur une plaque de construction inversée qui se déplace lentement vers le haut à partir d'une piscine de liquide. «Cela permet de générer une interface liquide continue», explique DeSimone, «et donc la possibilité de développer rapidement des pièces sans couches». Le processus permet à la lumière UV de faire clignoter un motif en une fois, plutôt que de le tracer au laser, les pièces doivent être construites 25 fois plus rapidement que les processus SLA précédents avec moins de déchets et une finition plus lisse. Cela rend également les pièces plus solides, car elles n’ont pas les mêmes effets de couche de schiste que les SLA traditionnels. «Avec nos matériaux, nous sommes en mesure de réaliser des pièces ayant des propriétés comparables à celles des pièces moulées par injection», déclare DeSimone. La société a conçu des résines pour silicones, polyuréthannes, polyuréthannes élastomères et matériaux rigides à haute température tels que les époxydes.

Fondée en 2013, la société a collecté près de 700 millions de dollars à la fin de l’année dernière, auprès de sociétés de capital-risque telles que Baille Gifford et ARCHina Capital. et des sociétés telles que GE, Johnson & Johnson et Adidas. Il a franchi le seuil d'évaluation d'un milliard de dollars l'an dernier (ce qui en fait le troisième «licorne» du secteur de la fabrication additive aux côtés de Desktop Metal et Formlabs) et a atteint 2,4 milliards de dollars en juin. À partir de 2017, Adidas a commencé à utiliser la technologie de Carbon pour créer des semelles intercalaires coussinées en plastique pour ses chaussures de course Futurecraft destinées au marché grand public. Plus récemment, Carbon a dévoilé une plus grande imprimante appelée L1, avec un volume de création dix fois supérieur à celui de l’imprimante précédente. Le fabricant d’équipement sportif Riddell a utilisé cette technologie pour créer des revêtements de casque de football sur mesure pour les joueurs de la NFL, à l’aide de quelque 140 000 jambes de force, imprimées simultanément dans deux matériaux. «Certaines zones du liner fonctionnent différemment des autres afin d'optimiser la gestion de l'énergie en cas de choc», explique DeSimone. Ridell envisage de commercialiser les casques sur le marché grand public cette année ou au début de l’année prochaine.

[L-R] Joe DeSimone, cofondateur et chef de la direction, Carbon; Josh Martin, cofondateur et PDG de Fortify; Duncan McCallum, directeur général, Digital Alloys

Une autre société, Fortify, utilise également un projecteur plutôt que le laser pour polymériser les plastiques, mais plutôt que de construire la structure en continu, elle la crée couche par couche, une technique appelée DLP (Digital Light Processing). Créée par Josh Martin et Randall Erb de la Northeastern University, Fortify intègre également des électroaimants dans le processus d'impression appelé FluxPrint, qui permet de contrôler l'orientation des fibres incorporées dans les résines photopolymériques afin de renforcer la rigidité, la rigidité ou la conductivité thermique de la structure. «C’est une technologie très programmable et sans fil», a déclaré Martin, cofondateur de la société Fortify, basée à South Boston, en 2016. «Nous pouvons contrôler assez précisément ces additifs sans avoir à utiliser un potentiel énergétique élevé.»

En modifiant les champs magnétiques au cours de l’impression, l’entreprise peut polymériser de manière sélective différentes zones en créant des matériaux dotés de propriétés uniques, voxel par voxel. Par exemple, Fortify a utilisé ses imprimantes 3D magnétiques pour produire des connecteurs électriques pour véhicules électriques - des structures complexes qui doivent être intégrées aux propriétés RF (radiofréquence) tout en maintenant des températures élevées sous le capot. «Fabriquer des outils avec des processus coûte très cher», dit-il. En outre, la société a pu fabriquer des outils en plastique haute performance pour le moulage par injection. «L’espace d’impression 3D essaie de résoudre ce problème depuis des décennies et n’a pas été en mesure de fonctionner sous des niveaux de pression élevés», explique Martin. «Nous pouvons prendre un processus qui nécessiterait habituellement trois mois et le transformer en une semaine ou moins.»

S'étendre au métal

Alors que la fabrication additive utilisait à l'origine des polymères plastiques, l'une des innovations majeures a été l'adaptation aux métaux. La société allemande EOS a commercialisé pour la première fois une technologie appelée frittage laser sur métal (DMLS) en 1995, une variante du SLS qui projette un laser à haute puissance dans un lit de métal en poudre. Le processus permet de fabriquer des pièces de précision avec des géométries complexes, même s'il peut être lent et coûteux, une seule pièce coûtant entre 500 et 2 000 dollars. Pour cette raison, le processus a fait la plus grande avancée dans l'industrie aérospatiale; GE l'a utilisé pour imprimer des pièces de moteurs à réaction, et SpaceX et Virgin Galactic l'ont utilisé pour créer des pièces pour leurs fusées.

La société Relativity Space, basée à Los Angeles, travaille à la création de la première fusée entièrement imprimée en 3D, collectant 145 millions de dollars en octobre auprès de Bond et Tribe Capital, portant ainsi son investissement total à 185 millions de dollars. La société utilise une imprimante FDM massive avec des bras robotiques de 18 pieds pour déposer du fil métallique fondu sur une plaque tournante en rotation afin de fabriquer des pièces rondes telles que des réservoirs de carburant. La société, fondée en 2015, prévoit de lancer sa première fusée en 2021. Avec une charge utile pouvant atteindre 1 250 kilogrammes, la fusée est conçue pour utiliser 100 fois moins de pièces que les fusées traditionnelles (1 000 par rapport à 100 000), et être construite en seulement 60 jours plutôt que plusieurs années.

Récemment, d’autres sociétés telles que Desktop Metal se sont inspirées du succès de l’impression métallurgique dans l’aérospatiale et ont mis en place de nouveaux procédés pour réduire également les coûts pour d’autres industries. Plutôt que d'utiliser de la chaleur pour fusionner un fil métallique ou une poudre, Desktop Metal utilise un processus inventé par le professeur MIT et co-fondateur, Ely Sachs, pour fixer la poudre avec un liant adhésif. Passé une série de portes de protection dans l’usine de Desktop Metal, une rangée sur une rangée de mini-machines de la taille d’un réfrigérateur s’effectuent de manière productive. Chacune comporte une paire de bras mécaniques qui poussent des bâtons de cire et de poudre métallique à travers une buse, semblable au FDM, créant des objets couche par couche sur une plaque de construction. Quand ils ont fini, un technicien placera les objets dans un liant où une solution liquide retirera la cire, créant ainsi des canaux ouverts à l'intérieur de l'objet. Ensuite, il est placé dans un four chaud où la forme métallique sera frittée, ce qui le durcira jusqu'à 20%. En même temps, le frittage lie le métal dans toutes les directions, fusionnant les couches pour augmenter la résistance globale.

Le processus, que la société appelle son Studio System, a commencé à être expédié en juin à des sociétés telles que Ford, Stanley Black & Decker, Goodyear et Owens Corning, qui l'utilisent pour créer des prototypes, des moules, des gabarits et des montages facilitant leur processus de fabrication. dit le vice-président du produit Larry Lyons. En outre, les constructeurs automobiles, notamment BMW et Caterpillar, l'utilisent pour imprimer des pièces de rechange à la demande. «Caterpillar bénéficie d'une garantie de 40 ans sur les pièces de rechange», déclare-t-il. «Ainsi, ces énormes entrepôts du monde entier sont remplis de pièces qu’ils pourraient expédier une fois par mois.» En imprimant des pièces à la demande, ils peuvent réduire considérablement les coûts pour les consommateurs, qui pourraient avoir une pièce fabriquée directement chez le concessionnaire.

Le système de production beaucoup plus vaste de Desktop Metal passe par un autre ensemble de portes qui utilise un processus différent appelé Binder Jetting. Les grosses machines déposent une fine couche de poudre sur une plaque de construction, puis une tête d'impression la recouvre, reliant couche par couche, permettant une résolution de détail exquise à une vitesse 100 fois supérieure à celle de SLS. Une fois l'impression terminée, les travailleurs en «costume de lapin» en hazmat blanc enlèvent l'excès de poudre qui peut être recyclé. Le système peut être utilisé pour créer des dizaines de pièces à la fois, toutes cuites ensemble dans un four de taille industrielle, ce qui permet à la société de réaliser des économies de 20 fois. La société prévoit de commercialiser ses premiers systèmes d’ici la fin de l’année.

Desktop Metal n'est toutefois pas la seule entreprise de la région de Boston à être un pionnier dans la fabrication de métal. À proximité de Watertown, Markforged a été fondé par l’ingénieur Greg Mark en tant que guichet unique pour l’impression 3D, utilisant une gamme de technologies et de matériaux. Parmi celles-ci, il y a sa nouvelle imprimante Metal X, qui utilise un système similaire au Studio System de Desktop Metal pour déposer de la poudre métallique enrobée dans un liant plastique en une forme 3D qui est ensuite durcie par frittage. À ce jour, la société a réuni 137 millions de dollars auprès de Matrix Partners, Summit Partners, Microsoft et Porsche.

Bien que le jet de liant puisse augmenter la vitesse de production du métal, il présente toutefois des inconvénients. Lorsque le frittage réduit les produits, il peut créer une très légère variation entre eux. Bien que les logiciels puissent compenser de manière extraordinaire cette variation, il peut rester une plage de variabilité de 3%. Bien que ce ne soit pas un problème pour les petits objets, les problèmes augmentent évidemment avec la taille.

Dans les couloirs de Desktop Metal à Burlington, la start-up Digital Alloys utilise une méthode différente pour l’impression sur métal qui permet des tailles plus grandes. Semblable à FDM, il commence par extruder un filament de métal à travers une buse. Cependant, plutôt que d'utiliser de la chaleur pour faire fondre le métal, il envoie un courant électrique à travers le fil, le liquéfiant juste au point de contact. «C'est la même physique qui chauffe une bobine dans un grille-pain», déclare Duncan McCallum, PDG de la société, diplômé en génie mécanique du MIT et capital-risqueur de longue date, qui a cofondé la société en 2017. Le processus crée moins les déchets que l'usinage, et peut construire des couches rapidement, sans nécessité de frittage. La société affirme voir une «fusion totale du matériau» entre les couches, créant une densité de 99,5% et une résistance à la traction supérieure à celle du métal moulé, comparable à celle du métal forgé. «Nous sommes à faible coût, la qualité est exceptionnelle et nous obtenons un métal très dense dès la sortie de l’imprimante», déclare McCallum.

Une impression numérique en cours

Selon McCallum, il s’agit de «gros objets, mais plus petits qu’un ballon de plage». Selon lui, «nous pouvons le faire plus rapidement et à moindre coût que toute autre solution. '(Le processus n'a pas actuellement une résolution assez élevée pour les objets plus petits, mais peut évoluer en objets plus volumineux avec une imprimante plus grande.) Un support de fuselage en titane pour l'aérospatiale, par exemple, utilise 90% de matériau en moins et peut être réalisés dans 70% des cas, réduisant les coûts de 60% - de 980 à 385 dollars. Jusqu'à présent, la société produisait des pièces en interne pour des clients tels que Boeing et Ford. Elle prévoit de vendre ses imprimantes à des entreprises à partir de 2021. «Nous construisons d’abord le livre de recettes, explique M. McCallum, puis nous prévoyons de le donner à d’autres.»

Élargir la portée

L’un des défis les plus difficiles de la fabrication additive consiste à imprimer simultanément avec plusieurs couleurs ou matériaux. HP, l'un des tout derniers venus dans le domaine de l'impression 3D, a pris des mesures pour résoudre ce problème avec une technologie appelée Multi-Jet Fusion (MJF), développée en 2015. En quelque sorte, le cousin de SLS, MJF, commence par Poudre de polymère. Cependant, au lieu de la prendre avec un laser, l’imprimante chauffe le lit en entier presque jusqu’à son point de fusion, puis passe une tête d’impression sur la zone avec des milliers de petites buses qui déposent une encre sensible aux infrarouges. Lorsqu'une source d'énergie infrarouge à haute puissance passe au-dessus de la même zone, elle se raccorde à la poudre située en dessous. Environ 10 fois plus rapide que SLS et moitié moins cher, le processus permet également d’imprimer simultanément plusieurs couleurs différentes, avec la possibilité de contrôler jusqu’à des voxels individuels (l’équivalent 3D en pixels). Cette technologie peut être utilisée pour imprimer des prototypes multicolores, ainsi que des objets tels que des étuis de téléphone portable conçus sur mesure.

Une autre technologie utilisant une technique similaire est appelée Material Jetting (MJ). Créée par PolyJet en 1999 et acquise depuis par Stratasys, elle abandonne le lit de poudre en désordre pour imprimer des gouttelettes d’encre directement sur le plateau d’impression. Les gouttes sont soit chauffées, prenant à mesure qu'elles refroidissent, soit soumises à une lumière UV pour les guérir, comme le SLA. Le processus est rapide, relativement propre et permet de contrôler non seulement les couleurs, mais aussi les matériaux eux-mêmes, capables de mélanger différents types de polymères à la volée pour différents voxels. L’appareil J750 de Stratasys, par exemple, peut imprimer six types de matériaux différents avec des centaines de milliers d’options de couleurs et a été utilisé pour imprimer des modèles anatomiques.

«Si vous étiez un extra-terrestre descendant de l'espace et que vous n'aviez jamais vu l'impression 3D auparavant, vous diriez que c'est une technologie objective sur laquelle tout le monde devrait parier», déclare Davide Marini, PDG de Inkbit, une société basée à Medford, dans le Massachusetts, qui utilise également des jets de matière. Deux problèmes se posent toutefois: tout matériau trop visqueux obstruera les minuscules buses (5 à 15 microns de large), limitant ainsi les matériaux. Deuxièmement, les variations aléatoires dans la manière dont les buses pulvérisent l’encre provoquent des imperfections au fur et à mesure de la formation des couches. Pour compenser, la machine Stratasys ’J750 balaie un grattoir sur la surface entre les couches; cependant, cela ralentit le processus et limite davantage les matériaux, car tout ce qui est trop collant, comme les époxydes, s'y accrochera.

Marini a étudié le génie mécanique à Milan et a travaillé comme banquier à Londres avant de venir au MIT pour étudier les biomatériaux. Il y a appris les nouvelles technologies développées par le scientifique du MIT, Wojciech Matusik, au Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL) afin de remédier aux limites du MJ. Il a mis au point des produits chimiques suffisamment liquides pour pouvoir être projetés facilement par les buses, mais qui se modifient ensuite lorsqu'ils sont exposés aux rayons ultraviolets pour créer des matériaux plus complexes tels que les époxydes. En outre, il a développé un système ingénieux pour réduire les erreurs en utilisant la vision artificielle et l'intelligence artificielle.

Lorsque de l'encre est déposée sur l'objet, un objectif le scanne à haute résolution pour détecter les erreurs aléatoires. La tête d'impression compense ensuite automatiquement la couche suivante en plaçant plus ou moins d'encre par points pour rendre la surface plane, évitant ainsi l'utilisation d'un grattoir. «Nous pouvons numériser à une résolution de 20 microns sans changement de vitesse», explique Marini, qui a séparé l'entreprise du MIT en 2017 avec Matusik et le financement de la société de conditionnement italienne IMA.

Inkbit a depuis formé un partenariat avec Johnson & Johnson pour créer des produits tels que des dispositifs médicaux combinant plusieurs matériaux à haute résolution. Un appareil, par exemple, dispose de minuscules canaux de moins d’un demi millimètre. Avec les vitesses possibles, un dispositif en plastique complexe qui coûterait 350 USD en utilisant un SLA pourrait être produit pour un coût de seulement quelques dollars, explique Marini. Next, the company plans on installing several beta machines at partner companies to continue to test the technology before releasing it more widely.

The possibilities for multiple materials go beyond combining polymers. At Harvard, Jennifer Lewis’ lab uses a technique similar to material jetting, but using a pneumatic system to extrude a paste-like ink through larger nozzles at room temperature, allowing for a much wider range of materials. At the Wyss Institute, Lewis has been a pioneer in printing 3D artificial organs with living cells. On the manufacturing side, however, she helped found the company Voxel8, which uses a method called ActiveMix to build complex products.

One of the company’s main projects is 3D printing shoes. Unlike SLA processes used to print midsoles, Voxel8 is focusing on the fabric upper sole of the shoe, using its technology to embed polyurethane inks into the fabric. “We can take a piece of textile and screen print all of these zonal features and patterns, both for aesthetics and also functional purposes,” says Lewis. For example, by the way material is printed, the printer could make parts of the shoe stiffer than others. Currently, she says, the company is working with two of the top five athletic footwear companies to develop mass-customized shoes.

Lewis and her colleagues have also used the system to embed electronic components, such as sensors and batteries, into fabrics to create wearable electronics. “You name it, we have printed almost every class of functional material you can imagine, and we have print heads that can switch and mix on demand.” While many of these methods are still under development, Lewis believes it is only a matter of time before more manufactured products embrace the capabilities of 3D printing — not only to replace their current manufacturing techniques, but to allow for the creation of new forms and materials not possible any other way.

“I’m not so much a believer in the idea that every home will have a 3D printer in 10 years, but the technology is penetrating evermore into companies’ production platforms,” Lewis says. “It’s providing an opportunity to design new materials, voxel by voxel, in a way we’ve never been able to do before.” We may never see the day in which some matter complier allows us to create everything we can possibly desire. But we may see a day — and soon — in which many different types of additive manufacturing technologies will combine to create significant parts of the objects we use, drive, and wear every day.” +

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