Le verre étant l’un des plus anciens matériaux de création, il est utilisé pour de nombreuses applications. Cependant, pendant longtemps, il avait été éloigné de l’influence de la fabrication additive. Il y a plusieurs raisons à cela.
Si l’on souhaite imprimer du verre en 3D, il faut comprendre les différents défis que pose le matériau.
Bien qu’il y ait eu de nombreuses avancées pour apprivoiser ce matériau pour une application dans de multiples niches, nous n’avons toujours pas été en mesure d’apporter une justification complète aux modèles créés à l’aide de l’impression 3D sur verre. La bonne nouvelle, c’est que nous progressons au moins.
Les efforts de divers chercheurs et institutions ont prouvé que l’objectif de l’impression 3D utilisant du verre n’est pas seulement une manifestation. Si vous travaillez dans la bonne direction, il est certainement possible de commercialiser l’impression 3D sur verre.
En regardant les perspectives et la façon dont l’impression 3D pourrait apporter plus de nuances et de dimensions à la fabrication du verre, les équipes de professionnels de tous les pays investissent déjà énormément de temps et d’argent pour réaliser le même rêve.
Alors, explorons les différents développements qui ont déjà été réalisés dans le monde et jusqu’où sommes-nous allés en termes d’efficacité en matière de verre d’impression 3D.
Et, avant cela, explorons les défis entourant le succès du verre imprimé en 3D.
Quels sont les défis du verre imprimé en 3D ?
Le verre, en raison de ses propriétés physiques et chimiques, est un matériau difficile à utiliser dans le cadre de la fabrication additive. C’est pourquoi les scientifiques travaillent depuis des années pour innover de meilleures solutions pour imprimer le verre en 3D.
Il y a eu de nombreux petits succès entre les deux jusqu’à ce que l’équipe du MIT trouve un moyen de créer du verre imprimé en 3D. Désormais, il est effectivement possible de préserver les propriétés réelles du matériau lors de son utilisation pour l’impression 3D.
Dans le passé, de nombreuses tentatives ont été faites pour apprivoiser le verre pour l’impression 3D, cependant, les modèles résultants manquent de transparence et de précision. Ce n’est pas facile à imprimer car c’est avec du plastique.
Par conséquent, pendant longtemps, on a cru que la technologie d’impression 3D consistait davantage à travailler avec le plastique et les matériaux connexes.
Avec le temps, cette notion a changé. Les différents procédés d’impression 3D ont évolué en dehors de la stéréolithographie et de la FDM qui ont changé la façon dont l’industrie était perçue. Les fabricants sont passés à l’impression 3D en métal et l’impression avec du verre semblait également une option viable.
Cependant, ce n’était pas aussi facile que n’importe quel autre matériau impliqué dans l’impression 3D. Par conséquent, il a fallu si longtemps pour mettre le verre parmi les autres choix pour l’impression 3D. Alors, quels étaient les défis auxquels les chercheurs étaient finalement confrontés ?
Le plus gros de tous les problèmes était de maintenir le besoin de températures élevées dont le verre avait besoin pour maintenir son écoulement à travers la buse.
La nécessité d’un écoulement parfait du verre fondu à travers l’extrudeuse en fonction de la température atteinte supérieure à 1000 degrés Celsius a empêché les professionnels de mettre la théorie en pratique pendant longtemps.
Il y avait aussi d’autres défis. Pour travailler à une température aussi élevée, il fallait trouver la bonne buse. Celui fait d’un tel matériau qui pourrait résister à une température aussi élevée et éviter le collage du verre à sa surface.
Avant que l’imprimante 3D du MIT ne fasse surface, les chercheurs utilisaient les processus d’impression 3D par jet et par frittage pour fondre et connecter de minuscules particules de verre entre elles. Cependant, le résultat était un modèle opaque, au lieu d’être transparent.
Tous ces problèmes ont retardé le travail et il a fallu plus d’une décennie pour comprendre le moyen le plus efficace d’imprimer en 3D avec du verre.
En savoir plus sur la recherche du MIT sur le verre d’impression 3D
Après de nombreux essais et erreurs, le MIT a récemment publié un article sur l’impression 3D et la fabrication additive, expliquant la nouvelle solution d’impression 3D améliorée pour travailler avec le verre.
Le document de recherche réalisé par Michael Stern, Chikara Inamura, Peter Houk, Daniel Lizardo et Neri Oxman a introduit un système révisé d’impression 3D de verre.
Ce nouveau procédé est censé offrir un meilleur contrôle en termes de manipulation du matériau verrier ainsi que d’affiner les résultats avec le produit final.
Dans ce système, l’équipe combine la technique de contrôle de mouvement à quatre axes avec un système de contrôle thermique à trois zones. De plus, le système, baptisé G3DP2 est suffisamment capable de gérer une production à l’échelle industrielle.
Pour ce faire, le système offre un meilleur taux de production, une plus grande fiabilité, une grande précision ainsi que la capacité de fonctionnement répété. Tous ces avantages n’étaient pas présents avec les derniers systèmes.
Pour entrer dans les détails, le nouveau système révisé utilise deux boîtes différentes pour la remise du verre. L’un est la boîte chauffée et scellée pour la conservation du verre sous sa forme fondue.
Un autre est la boîte, avec contrôle thermique pour imprimer le verre. Utilisant la plaque mobile qui glisse vers le bas, une couche à la fois pour préparer les modèles 3D, le système fait intervenir l’impression 3D tactile pour son fonctionnement global.
Il y a un autre ajout spécial à l’ensemble du système. C’est le fait que le processus d’impression se déroule tout en garantissant que les modèles en verre n’injectent pas d’impuretés entre le moment où il est extrudé et celui où il se forme sous forme solide.
Où en sommes-nous actuellement avec le verre imprimé en 3D ?
Vous devez avoir découvert les recherches effectuées par le MIT, assez captivantes. Et, c’est sûr. Cependant, pour de nombreuses raisons différentes, on ne peut toujours pas considérer ce système comme adapté à des applications complexes et de haute technologie.
Les niches qui nécessitent de construire une microstructure précise ne sentiraient pas que la technologie leur ferait du bien.
Ceci est principalement dû au manque de haute résolution. Lors de l’impression 3D avec la méthode proposée par le MIT, la fabrication de vases et de petits modèles n’évoquera aucun problème de mauvaise résolution.
Mais on ne peut pas en dire autant des applications où il faut créer des microstructures. Et, la plupart des niches haut de gamme voudraient certainement que cela arrive à l’avenir.
Heureusement, le XXIe siècle n’est pas prêt de cesser de nous surprendre tous. Il y a plus de réponses au problème en dehors du verre fondu.
Oui, pas comme l’impression 3D FDM, mais plutôt comme les autres technologies d’impression 3D, il existe peu de groupes de recherche essayant de formuler de meilleurs résultats lorsqu’ils souhaitent imprimer du verre en 3D.
L’un des groupes dirigé par l’équipe allemande de l’Institut de technologie de Karlsruhe a mis au point une nouvelle façon d’imprimer avec du verre en utilisant la stéréolithographie, le plus ancien de tous les procédés d’impression 3D.
Dans le processus, l’équipe a utilisé un type spécial de polymère photodurcissable contenant une nano-poudre de verre. Après cela, le modèle a été placé à une température de 1300 degrés Celsius pour brûler le polymère photodurcissable, densifiant ainsi le verre.
Un autre groupe des États-Unis, grâce aux efforts combinés de chercheurs de l’Université du Minnesota, du Lawrence Livermore National Laboratory et de l’Oklahoma State University, a progressé pour fournir une solution alternative au verre d’impression 3D.
Ce groupe a encore une fois progressé avec l’encre spéciale. Cependant, plutôt que de dépendre de la stéréolithographie, le groupe a traité l’encre par le biais du processus d’écriture directe à l’encre et a imprimé les modèles 3D à température ambiante.
Tous ces chercheurs sont encore dans leur phase initiale et nous devons découvrir beaucoup de choses à l’avenir. Cependant, les résultats positifs et l’amélioration de la production nous offrent d’énormes perspectives d’avenir.
Il existe quelques autres innovations liées au verre imprimé en 3D que vous devez connaître. Alors, découvrons-en plus.
Derniers développements
Le besoin de développement continuera de croître car nous nous sentirions coincés avec certaines limitations tout en en franchissant quelques autres. Et le verre imprimé en 3D semble poser des défis similaires aux experts.
Récemment, les chercheurs de l’ETH Zurich ont déposé une demande de brevet pour réserver la nouvelle invention à leur nom dans le domaine des lunettes d’impression 3D.
En utilisant la technologie DLP qui fonctionne sur les résines photodurcissables, comme la stéréolithographie, les chercheurs ont pu produire des modèles de verre complexes conservant leurs propriétés d’origine.
À l’aide d’une résine spéciale, l’équipe utilise la lumière UV pour polymériser chaque couche à la fois. La technologie DLP est accessible commercialement. Cela signifie que celui qui veut imprimer du verre en 3D n’aura pas à rester trop loin de sa portée.
Le processus fonctionne simplement avec l’introduction de lumière UV sur la section transversale souhaitée, en fonction du fichier 3D.
Le système utilise une résine spéciale développée par le processeur ETH, André Studart. Cette résine spéciale contient un type de plastique ainsi que des molécules organiques. Les précurseurs du verre se lient à ces molécules organiques.
Et, comme cela se produit dans le processus DLP, lorsque la lumière frappe la surface de la résine, celle-ci durcit. Le polymère plastique se connecte en formant la structure en forme de labyrinthe. D’autre part, les molécules organiques porteuses de verre remplissent les lacunes et les fissures présentes dans le modèle en forme de labyrinthe.
La partie la meilleure et unique est que l’utilisateur peut facilement modifier différents paramètres pour chaque couche séparément.
Par exemple, l’intensité lumineuse, qui, lorsqu’elle s’affaiblit, se traduit par des pores plus larges et resserre les pores lorsqu’elle est éclairée à une force plus élevée.
En dehors de toutes les bonnes nouvelles qui entourent celles de la communauté de l’impression 3D, il faut être prêt à faire des compromis avec les grands modèles tels que les bouteilles, les vitres et autres.
Un développement majeur – La résine Glassomer
Glassomer, une nouvelle entreprise qui a démarré ses activités en 2018 en provenance d’Allemagne, a mis au point sa résine spéciale appelée Glassomer Resin.
La société affirme que les utilisateurs peuvent utiliser les processus d’impression 3D SLA ou DLP habituels pour créer des modèles en verre à 100 %. Alors, à quoi ressemble cette résine et que contient-elle ?
En parlant de son apparence, la résine serait claire et transparente avec une consistance semblable à du miel. Vous pouvez également trouver une petite teinte.
Cette résine contient 60% de verre et des liants organiques remplissent le reste de l’espace. Les particules de verre ne sont pas visibles car elles mesurent jusqu’à 50 à 100 nm.
La question est : comment ça marche ? En utilisant l’un des deux processus d’impression 3D, les utilisateurs peuvent créer des modèles 3D en verre après avoir terminé avec succès les étapes de post-traitement requises. Le processus SLA ou DLP solidifiera la résine photodurcissable, certaines parties de couches à la fois.
Une fois ce processus terminé, vous obtiendrez le modèle 3D de couleur verte. Cependant, en raison de la porosité, il apparaîtra de couleur blanche. Et, en traitant la pièce à travers certaines étapes, on peut obtenir des résultats transparents.
Dans un premier temps, il faut chauffer la partie verte à une température de 600 degrés Celsius. Cette étape aidera à brûler les liants organiques dont nous avons parlé précédemment. Une fois que cela se produit, il vous resterait la partie brune ne contenant que du verre.
Plus tard, vous devez à nouveau chauffer cette partie brune résultante sous 1300 degrés Celsius. Ce processus consiste à fritter davantage les particules de verre en une seule partie.
Par conséquent, le modèle 3D résultant sera composé à 100 % de verre, totalement transparent et sans porosité.
C’est un grand pas dans l’impression 3D du verre. Et, nous attendons certainement plus à venir.
La conclusion
L’impression 3D, bien qu’inventée il y a longtemps, est toujours en croissance et vise à se développer davantage avec le temps. Avec autant d’attentes que les utilisateurs ont de la technologie, il n’est certainement pas prévu de nous arrêter aussi.
Et le verre imprimé en 3D n’est qu’une autre étape importante que nous avons déjà réservée jusqu’à présent.
De nombreux défis nous entourent encore. Et trouver un système durable serait le prochain objectif des chercheurs en ce qui concerne le verre imprimé en 3D.
Et pourquoi pas. Nous avons réussi jusqu’à présent, en conquérant déjà beaucoup de problèmes. Et, avoir l’intention d’aller au-delà serait certainement justifié.
Il n’est pas seulement important d’apporter des lunettes à l’impression 3D, mais aussi de rendre le système accessible commercialement est quelque chose que nous devons planifier.
À moins que la technologie n’atteigne la masse, elle serait toujours limitée et contrainte, que nous imprimions en 3D du verre pour des géométries complexes ou des modèles 3D moins complexes.
