Tout savoir sur l’impression 3D silicone
Dans le secteur de la fabrication additive, les matériaux sont clés et de plus en plus de développements sont réalisés pour permettre une plus grande compatibilité matière, répondant aux exigences des industriels. C’est le cas avec le silicone : de nouvelles techniques ont été mises au point pour permettre de faire fondre le silicone et de le déposer couche par couche pour créer a pièce souhaitée. Une avancée particulièrement intéressante dans le domaine médical qui offre aujourd’hui de nouvelles opportunités pour les acteurs du marché et les patients. On vous propose de revenir sur les fondamentaux de l’impression 3D silicone et de comprendre quels sont les avantages et les limites de ce procédé.
L’impression 3D silicone aura un impact significatif sur l’industrie, marquant une étape importante dans l’évolution de cette technologie. En effet, selon une étude de Precision Business Insight, le marché de l’impression 3D silicone était estimé à 1 590,3 millions de dollars en 2021 et devrait croître à un taux de croissance annuel composé de 19,9 % d’ici 2028. Cette croissance est également portée par les entreprises d’impression 3D qui proposent de nouvelles solutions compatibles avec le silicone.
Crédits photo : Beamler
Qu’est-ce que le silicone ? Comment l’obtient-on ?
Le polysiloxane, communément appelé silicone, est un polymère inorganique obtenu par polymérisation de siloxanes (molécules composées d’atomes de silicium et d’oxygène). Dans le contexte des polysiloxanes, la polymérisation se produit par une réaction de condensation des siloxanes. Cette transformation se produit en présence d’un catalyseur, qui peut être un acide ou une base, et dont la fonction est de favoriser la création de liaisons entre les groupes fonctionnels des siloxanes. Ainsi, les chaînes de polymères présentent une mobilité remarquable grâce aux liaisons formées entre les atomes d’oxygène et de silicium. Cette catégorie de polymères se caractérise par sa résistance chimique et ses propriétés physiques et mécaniques. Polysiloxane et silicone sont des termes qui désignent le même matériau. Alors que le premier est le nom technique, le second est davantage utilisé dans l’environnement commercial et quotidien.
Le silicone se présente sous différents états, en fonction de la structure macromoléculaire, de la taille et de la distribution des chaînes qui la composent. On le trouve sous forme d’huiles et de caoutchoucs de silicone (utilisés comme additifs, lubrifiants ou fluides hydrauliques), sous forme de gels (utilisés dans les prothèses mammaires ou les selles de vélo) et, enfin, sous forme d’élastomères. Ce dernier est le type de silicone le plus utilisé aujourd’hui. Voyons maintenant comment ce matériau peut être utilisé en fabrication additive.
Le processus d’impression 3D silicone
La première entreprise à avoir développé un système d’impression 3D silicone est ACEO, une division du géant allemand de la chimie Wacker Chemie AG. C’est en 2016 que l’organisation a présenté une méthode similaire à l’impression à jet d’encre. Dans ce cas, des gouttelettes de silicone étaient déposées en couche, puis durcies avec une source de lumière UV ; le processus était répété couche par couche jusqu’à l’obtention de la pièce finale. En outre, l’entreprise affirme que sa technologie permet de créer des pièces aux propriétés mécaniques isotropes (c’est-à-dire uniformes dans toutes les directions) comparables à celles du moulage par injection. ACEO arrêté son activité en 2021, mais les approches pionnières de l’entreprise en matière d’impression 3D silicone sont toujours demandées dans un large éventail d’industries, notamment les biens industriels, les produits chimiques, la médecine et la dentisterie.
Impression 3D de silicone à l’aide d’une seringue sous pression (crédits photo : AMFG)
L’une des techniques d’impression 3D compatibles avec les silicones est la photopolymérisation. Cependant, d’autres formes de fabrication additive capables de travailler avec ce type de matériau ont également vu le jour. Dans le cas de la technologie d’extrusion, le silicone nécessite des caractéristiques matérielles spécifiques. Tout d’abord, le matériau doit être conditionné dans des seringues connectables avec un piston. Les têtes d’impression sont généralement équipées de pompes doseuses volumétriques qui assurent une grande précision de distribution et de dosage. Des seringues sous pression alimentent ces pompes, qui transportent et dosent la quantité de matériau à imprimer. Le matériau est déposé par l’intermédiaire d’une buse de précision reliée à la sortie de la pompe.
Le processus de fabrication additive est ainsi similaire à la technologie FDM/FFF. Cependant, le matériau déposé n’est pas figé à la sortie de la buse, mais le liquide imprimé est formulé pour avoir une viscosité spécifique afin qu’il puisse être superposé sur lui-même sans s’effondrer. La réaction de réticulation (lorsque les polymères s’assemblent en chaînes pour former une sorte de réseau) a lieu pendant et après le processus d’impression et durcit le matériau déjà formé. Après la réticulation, la pièce obtient ses propriétés physiques et chimiques définitives.
Avantages et limites de la technologie
L’un des principaux avantages du silicone est qu’il permet de créer des modèles 3D d’une grande souplesse et d’une grande durabilité. Cela se traduit par la capacité de supporter des charges et des pressions plus élevées que d’autres matériaux, tout en économisant de l’espace grâce à sa flexibilité – le tout sans affecter ses propriétés mécaniques. Le silicone résiste également aux fluctuations extrêmes de température et de rayonnement, ce qui rend les pièces moins sensibles à ces influences, comme c’est le cas avec le verre ou d’autres matériaux similaires. Lorsque le verre est considéré comme trop fragile, les professionnels optent souvent pour le silicone comme premier choix. Ce choix est également déterminé par sa grande transparence, qui en fait un matériau idéal pour les modèles nécessitant une inspection visuelle. Enfin, la combinaison des propriétés conductrices, isolantes et biocompatibles rend le silicone intéressant pour une grande variété d’applications d’impression 3D, comme nous le verrons plus loin.
Les silicones sont biocompatibles, ce qui en fait un choix idéal pour les applications médicales (crédits photo : Nick Pitsas)
Parmi les inconvénients de l’impression 3D silicone figure l’accessibilité en termes de matériel et de matériaux. Bien que de plus en plus d’entreprises développent cette technologie, il y a encore peu d’entreprises qui proposent des machines de ce type. Par conséquent, les coûts ont tendance à être élevés et les options de matériaux limitées. D’autre part, les imprimantes 3D actuelles ont des volumes d’impression relativement faibles et, bien que plusieurs pièces puissent être créées en même temps, elles ne sont pas tout à fait prêtes pour la production en masse. De nombreuses machines utilisent une seule tête, ce qui leur permet de créer des modèles simples et plats, sans support d’impression pour les modèles complexes. Toutefois, cette situation a évolué ces dernières années et des solutions IDEX à double tête sont apparues pour créer de tels supports. Enfin, le post-traitement des pièces est une autre limite de cette technologie. Les silicones nécessitent généralement un processus de durcissement plus long, ce qui allonge le temps de production global.
Applications et principaux fabricants sur le marché
L’impression 3D silicone est utile pour la production de petites et moyennes séries, pour le prototypage et pour la création de formes uniques qui seraient impensables avec les méthodes traditionnelles. L’un des secteurs qui bénéficie le plus de cette technologie est le secteur médical. Dans ce domaine, elle est utilisée pour créer des implants, des prothèses et des modèles médicaux personnalisés pour chaque patient, car le silicone peut reproduire le comportement du tissu humain, ce qui le rend idéal pour les pratiques chirurgicales. Dans le même ordre d’idées, la recherche biomédicale tire également parti de ce silicone imprimé en 3D, qui est utilisé comme échafaudage pour l’ingénierie tissulaire, en créant des structures permettant de cultiver des cellules à des fins d’étude et d’expérimentation.
La robotique souple est un autre domaine d’applications pour l’impression 3D silicone. Celle-ci est notamment idéale pour créer des composants robotiques souples, tels que des pinces, capables de saisir et de manipuler des objets délicats. De même, grâce à ses propriétés, le silicone imprimé en 3D est considéré comme un matériau viable pour l’électronique souple et élastique. Enfin, les biens de consommation constituent un autre secteur où le silicone imprimé en 3D a été utilisé. Il est principalement utilisé pour créer des modèles flexibles et élastiques pour les vêtements, ainsi que pour le prototypage d’objets portables grand public, tels que les montres connectées.
Pièces imprimées en 3D en silicone (crédits photo : AMFG)
Parmi les acteurs les plus importants du marché, on trouve par exemple Elkem Silicones, une entreprise qui se consacre au développement de silicones pour la fabrication avancée. Par ailleurs, il existe des fabricants dans le secteur de l’impression 3D qui disposent de machines dédiées au travail avec ces matériaux. Parmi eux, on retrouve Deltatower, innovatiQ, Lynxter, Spectroplast ou San Draw, entre autres. Vous pouvez trouver plus d’informations sur les imprimantes 3D silicone dans notre article dédié.
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*Crédits photo de couverture : innovatiQ
