Une machine d'impression 3D capable de façonner des structures complexes à partir de silicone et de matériaux hybrides. Telle est l’innovation du projet Clamps, retenu en janvier par le CNRS dans le cadre de son programme Rise destiné à l’accompagnement de jeunes pousses. Fruit de la recherche du laboratoire d'informatique, de robotique et de microélectronique de Montpellier (LIRMM), sous la direction de Hamza El Jjouaoui, Yassine Haddab et Philippe Poignet, ce projet développe depuis 2022 une méthode de fabrication additive permettant de réaliser des prototypes de robots souples. Les premiers résultats obtenus ont conduit à l’initiation d’un projet de création de start-up centrée sur cette imprimante en vue d'un début de commercialisation en 2025.
« Dans le domaine de la robotique flexible, nous avons traditionnellement recours à des matériaux semi-rigides, tels que le plastique, dont la souplesse dépend de leur dimension. Toutefois, ces matériaux se heurtent à des limites intrinsèques, devenant fragiles et rapidement cassants au-delà d'un seuil de flexibilité critique, souligne Hamza El Jjouaoui, ingénieur de recherche au sein du LIRMM et porteur du projet. La communauté robotique s'est tournée vers l'usage de matériaux souples, hyper-élastiques, capables de se distendre jusqu'à 1000 % de leur taille initiale. Cette élasticité offre une amplitude de mouvement et de rotation sans précédent. Cela a motivé l’utilisation du silicone, davantage résistant aux chocs, moins sujet à la dégradation, et recyclable par transformation. »
Adapter l'impression 3D au silicone
Les mérites de ce matériau ont inspiré l'élaboration d'un procédé d'impression 3D spécifiquement adapté au silicone, permettant la création intégrale de robots souples. « Les imprimantes 3D dédiées au silicone présentent des limitations, notamment en termes de complexité des formes et de coûts substantiels par rapport à l'impression 3D de matériaux conventionnels, tels que l'acide polylactique (PLA) ou l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), restreignant ainsi leur accessibilité », pointe Hamza El Jjouaoui.
Pour mettre au point cette solution, l'équipe de recherche s'est d'abord confrontée à la complexité inhérente à cette matière, en particulier le silicone RTV2. « En raison de ses propriétés visqueuses, différentes de celles des matériaux rigides communément employés, le comportement du silicone varie à différentes hauteurs lors de l'impression, engendrant des problématiques de déformation, explique le porteur de projet. De surcroît, cette viscosité peut entraver un écoulement uniforme à travers la buse d'extrusion, compromettant ainsi la précision et la qualité de l'impression. »
pour des structures souples complexes et hybrides
Les têtes d'impression doivent également composer avec des silicones aux propriétés variées, dépendant de leur composition chimique et de leur formulation, rappelle l’ingénieur de recherche. « Certains silicones peuvent présenter une viscosité plus élevée que d'autres. De même, leur dureté, leur élasticité, et leur résistance à la chaleur peuvent varier, complexifiant leur manipulation lors de l'impression 3D », ajoute-t-il.
Après plusieurs mois de recherche, l'équipe a réussi à concevoir en 2023 une approche qui comble ces lacunes, garantissant l'impression de structures complexes en silicone, y compris des structures creuses et de petites dimensions, ainsi que des structures hybrides, mêlant divers matériaux possédant des degrés de rigidité distincts. « Cette avancée représente une prouesse inaccessible sans l'intervention manuelle de l'utilisateur dans les technologies actuelles », se félicite Hamza El Jjouaou
Un procédé repoussant les limites de l'impression par dépôt de fil
Cette nouvelle méthode repousse notamment les limites d’un procédé existant d’impression 3D par dépôt de fil (FDM), avance l’ingénieur de recherche. Cette technique implique habituellement la fusion d'un filament thermoplastique, déposé couche par couche à l'aide d'une buse. Celle-ci a été particulièrement adaptée aux spécificités des silicones, en jouant sur la température pour réguler la rigidité du matériau, sur les modalités de mélange du silicone liquide avec d'autres polymères, et sur la vitesse d'impression.
Un autre volet du développement a porté sur les structures de support, indispensables au maintien de la forme des pièces et à la prévention de l'affaissement ou de la déformation pendant l'impression. « Des problématiques subsistent lors de la création de structures creuses en silicone, tant à l'extérieur qu'à l'intérieur, révèle le chercheur. Nous avons donc élaboré une méthode novatrice, exploitant un matériau spécifique pour soutenir ces structures, facilitant ainsi la réalisation de formes extrêmement complexes, incluant celles dotées de cavités internes. »
Cette solution devrait être accompagnée d'un logiciel de conception et d'optimisation, conçu pour simplifier le processus d'impression. « Ce logiciel sera spécifiquement adapté aux matériaux silicone utilisés, surpassant ainsi les solutions actuellement disponibles sur le marché, afin de guider l'utilisateur tout au long du processus, de la conception à l'impression », indique-t-il.
Un premier dépôt de brevet
Actuellement au stade TRL 4-5, ayant validé la faisabilité de son procédé d'impression additive, Clamps se consacre désormais au développement d'une nouvelle imprimante 3D au sein des locaux du LIRMM. Cette nouvelle mouture permettra la fabrication de pièces d'un volume maximum de 300 mm x 300 mm x 300mm. À titre d'exemple, l'équipe se penche actuellement sur l'impression intégrale d'un avant-bras de 28 cm de hauteur, sans recours au traitement post-impression.
Le dépôt d'un premier brevet dans les mois à venir ouvrirait la voie à la commercialisation dès 2025 de la solution d'impression 3D silicone et hybride de Clamps, destinée à divers secteurs, notamment la médecine, pour la fabrication de prothèses en silicone, et la robotique souple. La première étape de cette aventure entrepreneuriale se concentrera sur ces deux domaines et s’en suivra dans un second temps par la réalisation de préhenseurs en silicone, particulièrement prisés dans le secteur agroalimentaire.
