Et si nous “imprimions” des cellules ?
Bienvenue chère lectrice, cher lecteur,
As-tu déjà entendu parler d’impression 3D ou de fabrication additive ? Tu visualises peut-être les fantasmes autour de ces maisons du “futur” imprimées en béton grâce à un bras robotique ou encore de l’impression de cellules humaines ? …oui, non ? Dans tous les cas, petite mise à la page pour les connaisseurs et découverte pour les newbies !
Fabrication additive, impression 3D ? Une différence ?
Mettons les choses au clair dès maintenant : la fabrication additive et impression 3D (ou impression tridimensionnelle) sont deux termes synonymes. Ils désignent l’ensemble des procédés permettant de fabriquer un objet par superposition de couches de matières le plus souvent métalliques ou plastiques, à partir d’un modèle numérique 3D.
La fabrication additive est donc comme son nom l’indique une “addition” de matière couche par couche.
Mais alors d’où vient l’expression « impression 3D » ?
Avant de nous intéresser à la création de cette méthode de fabrication considérée comme disruptive pour son époque, nous parlons aujourd’hui “d’impression 3D”. C’est une dénomination grand public et marketing propagée par les médias, apparue avec les premières imprimantes 3D personnelles et services en ligne dédiés. L’appellation est donc le plus souvent employée pour les applications grand public, quand le terme de fabrication additive (FA) est plutôt utilisé par les industriels et pour les applications professionnelles.
Voici quelques exemples d’application dans le domaine industriel :
Le contraire de l’addition c’est donc la soustraction ! (merci)
Souvent présentée comme la prochaine révolution industrielle, le processus de fabrication additive s’oppose clairement aux techniques de fabrication traditionnelles d’usinage, qui consistent à l’inverse à la soustraction de la matière (fraisage, moulage, pliage).
La technique par addition de couches permet de créer des formes beaucoup plus complexes (creux, courbes, entrelacement) en intégrant même des fonctionnalités à l’intérieur d’une même pièce.
L’impression 3D facilite également l’optimisation topologique qui consiste à optimiser le poids total d’une pièce en fonction de ses applications. Nous pouvons prendre l’exemple du vélo BOOM de James Novak en stéréolithographie. Même si ce dernier reste un simple prototype, nous pouvons facilement imaginer les applications possibles et les avantages grâce à l’optimisation de la matière (réduction du prix de fabrication, rapidité, personnalisable à la morphologie de l’utilisateur etc.)
Cette petite mise en bouche nous amène à nous intéresser aux origines de la fabrication additive.Si aujourd’hui nous voyons de nombreuses applications évidentes, ce n’était pas si évident que cela lors de sa création… mais comment est apparue l’impression 3D ?
L’histoire de la fabrication additive
Un peu d’histoire ne nous fera pas de mal. Mais plutôt que d’étaler toutes les dates, nous allons traiter uniquement les plus importantes.
Si aujourd’hui nous considérons l’impression 3D comme une technologie avancée et révolutionnaire, il est important de rappeler qu’elle a été créée il y a plusieurs dizaines d’années.
L‘impression 3D a été abordée et imaginée pour la première fois dans les années 1960 par l’écrivain de science-fiction Arthur C. Clarke. Il parlait de machines pouvant répliquer des objets comme lorsque nous imprimons des livres.
Ainsi des premiers essais ont été réalisés dès la fin des années 1960 aux États-Unis sans aucun succès avant les années 80 où nous pouvons voir apparaître les premières machines et les premiers brevets déposés !
Les 3 méthodes de fabrication additive
L’invention de l’impression 3D naît de la frustration de Charles Hull, ingénieur américain, liée aux délais longs de fabrication des prototypes lors des phases de conception produit. Il suggéra alors à son entreprise de revoir le procédé de fabrication en utilisant les rayons UV. Il réussit à obtenir un petit laboratoire pour ses recherches qu’il mène surtout en soirée et les week-ends.
Après plusieurs mois de tests, il parvient à créer une première pièce dans sa totalité via l’impression. Suite à cela, il dépose à son tour un brevet pour la Stéréolithographie (SLA) en 1986. Il est ainsi reconnu et considéré comme l’inventeur de l’impression 3D. Il fonde par la suite la 3D Systems Corporation, et lance la SLA-1, première imprimante 3D commercialisée en 1987.
Puis Carl Deckard, en 1988, crée la Technologie de frittage sélectif par Laser (FSL) : cette méthode consiste à fusionner des grains de poudre grâce à l’énergie d’un laser de forte puissance. Ensuite vient Scott Crump en 1989, qui inventa le Dépôt de Fil ou FDM (Fused Deposition Modeling) : Cela marquera fortement l’impression 3D, car le dépôt de fil sera l’un des plus populaires dans le monde de la fabrication additive. Il marquera également la création des 3 principales méthodes d’impression 3D en l’espace de 3 ans, et la véritable naissance de l’impression 3D.
Si nous résumons, il y a donc 3 principales méthodes de fabrication additive :
- la stéréolithographie ;
- le frittage laser ;
- le dépôt de fil.
Les années suivantes, nous pouvons assister à l’évolution des outils de Conception assistée par Ordinateur (CAO) qui a favorisé le développement de la fabrication additive et de son ouverture pour le grand public.
Une technologie devenue grand public : les années 2000
Avant les années 2000, la fabrication additive n’était utilisée qu’à des fins industrielles. Cependant avec l’évolution des CAO, la fabrication additive s’est vue être appliquée à plusieurs autres secteurs, par exemple dans le médical avec la fabrication d’un rein fonctionnel en 2000 (testé sur des souris). Propulsées également par les médias, ces premières innovations dans le secteur médical ouvriront la voie à beaucoup d’autres, ainsi qu’à de nouvelles applications de ce procédé de fabrication dans diverses industries évoquées plus tôt.
Popularisation et commercialisation grand public des imprimantes 3D :
Les imprimantes 3D gagnent en visibilité, d’une part grâce au développement de l’informatique et à la démocratisation d’Internet et d’autre part, en 2009, grâce à l’ouverture au domaine public du brevet du dépôt de fil (FDM), déployant ainsi la technologie au grand public : appropriation de la technologie par des industriels, baisse du prix des imprimantes 3D, la technologie devenant plus accessible pour tous. À partir des années 2010, d’autres brevets tombent dans le domaine public, à l’image des brevets SLS ou SLM. La création de toutes sortes d’objets et pièces par la fabrication additive devient alors une réalité accessible à tout professionnel ou particulier. C’est lors de cette décennie que l’impression 3D va véritablement prendre de l’ampleur aussi bien auprès du public qu’auprès des entreprises.
L’avenir : jusqu’où ira l’impression 3D ?
Un marché dynamique
Nous avons rapidement traité l’histoire de la fabrication additive ou encore de l’impression 3D. Cependant, nous pouvons également nous intéresser aux perspectives d’évolution pour le futur. En effet, le champ des possibles est encore très vaste car la technologie, à l’échelle de l’industrie par exemple, n’en est qu’à ses débuts, et aux vues de sa popularisation récente, nous pouvons nous attendre à des expérimentations de plus en plus récurrentes.
C’est un marché qui est d’ailleurs en fort développement. En 2020, la croissance de l’impression 3D a atteint 52% (à titre de comparaison, elle était de 17% en 2015). Le recours à cette méthode de fabrication est encore majoritairement liée au prototypage d’objet et de produit ainsi qu’à la production de pièces en petite et moyenne séries. Mais elle tend à se développer vers d’autres usages, et les secteurs d’activité utilisant cette technique deviennent de plus en plus variés. L’avenir de l’impression 3D est bien radieux.
Un avenir radieux dans le domaine alimentaire : et si nous imprimons de la nourriture en 3D ?
L’impression 3D alimentaire est un sujet d’actualité, que ce soit pour des soucis d’esthétisme ou bien des solutions de ravitaillement dans l’espace. En effet, imaginez le gain de place considérable lors des missions dans l’espace ! L’imprimante 3D pourrait ainsi approvisionner les astronautes et c’est la raison pour laquelle la NASA s’intéresse de près à cette technologie. De plus, nous pouvons noter une réduction des déchets possible : plus besoin de packaging pour conserver la nourriture, nous créons ce que nous mangeons !
En soi, l’impression 3D de nourriture n’a pas réellement de limite, même s’il faut préciser que ces imprimantes ne créent pas de matières alimentaires, elles ne font que déposer successivement des couches de matières déjà installées. Le seul prérequis pour exploiter cette technologie, concerne la matière première : en effet il faut réussir à la transformer en un composé suffisamment fin et petit pour être imprimé. Ainsi nous pouvons imaginer avoir de l’impression 3D de chocolat, ou même de l’impression 3D de viande !
La technique utilisée pour les tests actuels se base sur le modèle d’impression FDM c’est à dire par dépôt de matière organique : à la place d’une bobine à PLA (plastique le plus couramment utilisé dans l’impression 3D), nous aurions un extrudeur d’aliments fondus ou en pâte.
Nous pouvons également relever quelques limites à cette application : malheureusement, les aliments étant plus changeants (moins standardardisables) que des métaux ou plastiques, la précision n’est pas encore complètement présente. De plus, cette technique pose des problèmes concernant l’hygiène alimentaire. Au-delà de ces limites, nous pouvons imaginer un monde futuriste où la conservation des aliments n’est plus un souci car ces derniers vont tous être transformés en poudre (des sortes de cartouche alimentaire), utilisable plusieurs années même après leurs fabrications : nous réglerons peut-être la faim dans le monde ?
La bio-impression ou l’avenir de l’impression 3D
Nous l’avions vu dans la partie 2 : l’impression 3D à partir de cellules souches ou tissus biologiques, ouvre de nouveaux horizons, impression 3D des organes comme des reins ou même des oreilles… En plus de l’impression d’organes, nous pouvons imprimer en 3D des tissus biologiques, des cellules souches, des os…
Les organes imprimés en 3D constituent un réel intérêt à l’heure où les listes d’attentes pour des greffes sont longues. Plusieurs essais ont été menés notamment l’impression 3D de reins en Chine en 2013. Ce rein imprimé en 3D fonctionnait normalement pendant quatre mois, ce qui peut sembler court mais nous ne sommes qu’aux prémices de cette bio-impression.
En France nous avons également l’entreprise CTiBiotech spécialisée dans l’impression 3D de cellules souches. Le problème restant que ces tissus doivent être alimentés en permanence de sang. L’impression 3D tissu fonctionne cependant très bien, et permet d’avoir des tissus très stables. Ces innovations sont de très bonnes nouvelles pour les patients et pour la médecine, cependant la frontière avec les problématiques liées au clonage est fine !
Conclusion
La fabrication additive est une technologie qui a encore une grande marge d’amélioration et d’exploitation devant elle.
Selon une étude réalisée par Markets and Markets, le marché de l’impression 3D devrait atteindre près de 32,7 milliards de dollars par an jusqu’en 2023, soit une croissance de près de 25% par an. La production ne se limite plus simplement au plastique. Il existe des systèmes d’impression 3D pour le béton, le métal, le carbone, la céramique et même de cellules !
Néanmoins, bien que la fabrication additive soit en plein essor dans le monde, elle n’est pas encore vouée à être adoptée à large échelle. En outre, les entreprises sont confrontées à différentes problématiques, à commencer par la longueur des temps d’impression. A côté de cela, le coût du matériel et son entretien est un frein pour beaucoup d’entreprises. La matière première est également très onéreuse, ce qui oblige les entreprises à se cantonner à la production de prototypes ou de pièces uniques.
Par ailleurs, il faut tout de même un certain niveau de compétence en 3D afin de pouvoir conceptualiser ce que nous voulons. C’est pourquoi à l’heure actuelle, les dispositifs d’impression 3D ne peuvent donc rivaliser avec la production de masse. Mais cela peut très vite changer compte tenu des progrès que nous avons vu !
Merci !
Les propos tenus n’engagent que leurs auteurs et non le MTI Review.
Renjie Zhu
Sources
Th Industries — “Historique de la Fabrication additive”
https://thindustries.fr/la-fabrication-additive/
Primante3d — “Impression 3D métal : 12 exemples concrets d’applications” https://www.primante3d.com/fa-impression-3d/
La fabrication additive — “La Fabrication additive en quelques mots
“https://www.la-fabrication-additive.com/la-fabrication-additive-en-quelques-mots/
Primante 3d — “Impression 3D métal : 12 exemples concrets d’applications”
https://www.primante3d.com/applications-impression3d-metal-05052018/
Fabulous — “L’impression 3D : son histoire pour une révolution en marche”
https://www.fabulous.com.co/guide-impression-3d/en-bref/histoire/
Buzzwebzine — “Comment la mode s’approprie l’impression 3D ?“ https://www.buzzwebzine.fr/fashion-tech-mode-impression-3d/
Ctif — “LA RÉVOLUTION DE L’IMPRESSION 3D” http://www.ctif.com/la-revolution-de-limpression-3d/
La printery — “L’histoire de l’impression 3D : des premières technologies d’impression 3D à aujourd’hui” https://www.laprintery.com/decouverte-de-limpression-3d/histoire-de-limpression-3d/
Sculpteo — “L’histoire de l’impression 3d” https://www.sculpteo.com/fr/centre-apprentissage/les-bases-impression-3d/histoire-impression-3d/
Fabulous — “Des tables des grands restaurants à la NASA : quelles perspectives pour l’impression 3D alimentaire ?”
Fabulous — “Les matériaux organiques : une catégorie innovante des matériaux relatifs à l’impression 3D.”
https://www.fabulous.com.co/guide-impression-3d/materiaux/organiques/
Editions-ENI — “Les années 2000 : une décennie d’innovations”
https://www.editions-eni.fr/open/mediabook.aspx?idR=87b238ca51ff316b4fe4b555209f60e9
Cti-biotech https://ctibiotech.com
https://www.fabulous.com.co/guide-impression-3d/materiaux/organiques/
