Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La fabrication additive occupe des marchés stabilisés comme ceux liés à la réalisation de pièces prototypes, de pièces mécaniques, d’éléments artistiques et de mode. Ces marchés se développent en exploitant des innovations incrémentales. Indépendamment de cet aspect, des verrous scientifiques et technologiques sautent les uns après les autres pour que la technologie occupe de nouvelles niches comme le bio-printing, l’électronique 3D, et le 4D printing (association du temps aux trois paramètres d’espace). Cet article rassemble des éléments de prospective reliés à ces nouveaux horizons qu’il s’agisse d’échelles aussi bien nanométriques que d’échelles de tailles plus «humaines»…
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Additive manufacturing covers stabilized markets, such as those linked to the production of prototypes, mechanical objects, and artistic and fashion items. These markets are developing uninterruptedly through incremental innovations. In addition, numerous scientific and technological hurdles are being overcome so that the technology is now reaching new niches, such as bio-printing, 3D electronics, and 4D printing (associating the time dimension to the three space dimensions). This article looks at some likely future trends for both nanometric scales and those of more "human” size.
Auteur(s)
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Jean-Claude ANDRÉ : Directeur de recherche au CNRS - LRGP – UMR7274 CNRS-UL, 1, rue Grandville, Nancy, France
INTRODUCTION
Le morphing, ou matière programmable, évoque une transformation spatiale d’un objet par l’apport spécifique d’énergie, quelles que soient sa forme et sa nature, par exemple une machine capable d’imprimer en 3D des créations, comme si elles émergeaient d’un métal liquide (cf. le robot T-1000 du film « Terminator 2 »). À partir d’une forme donnée, facile à réaliser, on choisit un système matériau réactif/procédé pour qu’elle devienne par programmation et ciblage spatial d’un apport d’énergie, une forme correspondant à une fonctionnalité spatiale et/ou temporelle...
La vision initiale de l’ingénieur (application du système KIS pour Keep It Simple) a été de faire simple, avec les outils/matériaux à sa disposition. À partir de procédés encore rustiques, il est capable de fabriquer des pièces en matière inerte, dans des domaines très variés. Le procédé utilisant de la lumière, breveté en 1984, reposait sur la connaissance des coordonnées de l’objet à créer, mémorisées dans un ordinateur pilotant des miroirs galvanométriques et l’ordonnancement du déplacement de la lumière pour transformer une résine en un solide par polymérisation d’une couche, voxel après voxel (analogue en 3D du pixel). L’ajout d’une deuxième couche, puis d’une troisième, et ainsi de suite permet de créer ainsi la pièce comme le fait le maçon pour construire un mur. Cette base sert (encore) de concept fondateur à l’ensemble des technologies de fabrication additive. Mais elle est en train de se fissurer.
Certains se préoccupent d’inventer des dispositifs qui peuvent changer le cours des choses sur des bases de robotique collective ou de fabrication additive 4D, introduisant une dimension temporelle ou fonctionnelle, de bio-printing : faire du vivant 3D ou des objets pour le vivant avec des aspects évidents en termes de réparation d’organes, voire de recherche de l’immortalité ou d’autres visions… L’objet de l’article concerne une présentation synthétique des futures évolutions radicales de la fabrication additive, des technologies 4D encore à construire, dont certaines sont extraordinaires et porteuses de futur technologique avec différentes niches applicatives, mais aussi de présenter les limitations technologiques, comme le couplage résolution-temps de fabrication, et épistémologiques lourdes associées à ces nouveaux enjeux empreints de complexité (systèmes dynamiques non linéaires) et fortement interdisciplinaires comme en bioprinting. Des bases scientifiques et des technologies sont ainsi exposées permettant « d’informer la matière » pour le 4D printing, nous examinons comment pousser à ses limites la technologie de fabrication additive en l’appliquant à des domaines porteurs comme la microfluidique, l’impression du vivant, la robotique ou l’espace nanométrique.
Un glossaire des termes utilisés est présenté en fin d’article.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
4D printing | additive manufacturing | 3D electronics and robotics | bioprinting
VERSIONS
- Version courante de nov. 2020 par Jean-Claude ANDRÉ
DOI (Digital Object Identifier)
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Glossaire4. Conclusion
Un corps de savoirs, qui a au plus une trentaine d’années d’investissement, en fabrication additive a été créé. Il ne connaît pas encore les limites de son territoire et par incréments va de l’avant, sans avoir trop eu à se préoccuper de ruptures tant son marché est en expansion.
Ce que tentent de montrer les descriptions qui ont été présentées, correspondant à de nouvelles voies d’innovation et d’application très récentes, c’est une approche sur de nouveaux sujets frontières, encore très peu explorés, mais porteurs de futur (en particulier pour le bioprinting et l’impression 4D). En alliant des procédés originaux et matière (informée et/ou multiple), on devra se placer délibérément dans un contexte interdisciplinaire à partir d’idées nouvelles entrant en rupture avec les procédés d’impression 3D « traditionnels ».
Ces domaines nouveaux, en cours de pré-construction, disposent dès à présent de marchés et de niches applicatives : robotique (dont les biobots), capteurs, systèmes microfluidiques, réalisation d’organes dans le domaine médical, etc. Pour atteindre une maturité autorisant ces transferts vers la socio-économie, la recherche d’une adéquation matériaux-procédé est indispensable, conduisant dans le futur proche à la réalisation de machines dédiées (et non généralistes). Pour les applications biologiques, des aspects épistémologiques seront à traiter pour maîtriser l’atteinte des fonctionnalités souhaitées dans la fabrication d’organes vivants et implantables. Il s’agit d’un enjeu considérable en médecine.
Un verrou en fabrication 3D classique doit sauter pour des applications diverses liées à la résolution spatiale des objets fonctionnels ; si l’exemple de la microfluidique est cité, d’autres applications attendent des résultats significatifs comme en moulage ou pour des prothèses. Cet objectif peut en partie être atteint en réduisant la taille des voxels, mais au détriment de la durée de fabrication… Il s’agit d’un enjeu de taille à traiter.
Ces sujets sont à l’intersection de compétences diverses et hétérogènes, qui finalement configurent des projets de recherche applicable ouverts, adaptatifs, à géométrie variable. Une intégration entre des domaines encore trop disjoints devient de plus...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - RAMIREZ-FERRERO (M.) - « Market impact and perspectives of 3D printing technologies ». - (2015) http://www.dima3d.com/en/market-impact-perspectives-3d-printing-technologies/.
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(2) - Gartner - « Gartner Hype Cycle ». - (2015) http://www.gartner.com/technology/research/methodologies/hype-cycle.jsp.
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(3) - La Mécanique - « Bio-printing : L’Oréal va imprimer de la peau humaine avec Organovo ». - (2015) http://www.lamecanique.com/bio-printing-loreal-va-imprimer-de-la-peau-humaine-avec-organovo/.
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(4) - MELCHELS (F.P.W.), DOMINGOS (M.A.N.), KLEIN (T.J.), MALDO (J.), BARTOLO (P.J.), HUTMACHER (D.W.) - « Additive manufacturing of tissues and organs ». - Progress in Polym. Sci., 37, 1079-1084 (2012).
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(5) - COSTA (P.F.), VAQUETE (C.), BALDWIN (J.), CHHAYA (M.), GOMEZ (M.E.), REIS (R.L.), THEORODOPOULOS (C.), HUTMACHER (D.W.) - « Biofabrication of customized bone grafts by combination of additive manufacturing and bioreactor knowhow ». - ...
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