La polymérisation biphotonique flirte avec le nanomètre

Si la fabrication additive métallique vise les pièces de grandes dimensions, l’impression 3D de polymères lorgne quant à elle du côté des échelles nanométriques. Dans ce domaine, une technologie a émergé ces dernières années : la photo­polymérisation à deux photons, également appelée impression 3D biphotonique.

C’est un souffle nouveau pour cette technique qui est pourtant l’une des plus anciennes de la fabrication additive. Le concept est en effet antérieur à la stéréolithographie dont la première machine d’impression 3D a été brevetée en 1984 par trois chercheurs français, à partir d’une idée de l’institut Battelle (États-Unis) exploitant les propriétés d’absorption multi-­photonique de la matière.

Cette technologie, qui nécessitait à l’époque des lasers coûteux et encombrants, a été mise de côté pour privilégier des résines monoréactives plus faciles à mettre en œuvre. Avec la démocratisation des sources laser, l’impression biphotonique est revenue, depuis quelques années, dans les laboratoires et intéresse de plus en plus les industriels. Son atout ? Une résolution capable de descendre en dessous du micromètre, soit dix fois mieux que les procédés de stéréolithographie.

Le photo-amorceur, agent clé

« Cette technologie repose essentiellement sur le photo-amorceur contenu dans le monomère, explique Cyrille Monnereau, chercheur en matériaux fonctionnels et en photonique à l’École normale supérieure de Lyon. Il s’agit d’une molécule qui permet de convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique, démarrant ainsi la polymérisation. »

Contrairement à la stéréolithographie qui implique l’absorption d’un photon unique généralement situé dans le proche ultraviolet, l’impression biphotonique utilise un photo-amorceur capable d’absorber deux photons simultanément dans le domaine du visible et du proche infrarouge. La matière passe alors dans un état dit métastable.

« La probabilité associée à cette absorption simultanée est extrêmement faible. Pour y parvenir, il faut utiliser des lasers impulsionnels de l’ordre de la femto ou de la pico­seconde », souligne ­Cyrille ­Monnereau. Ces lasers sont ensuite focalisés dans un bain de résine liquide et la polymérisation se produit à l’endroit du point focal du laser. La réaction photochimique peut donc être circonscrite à ce point qui constitue un voxel, soit le motif imprimé de base qui constituera l’objet.

Fabrication sans couches

Avec une excitation monophotonique, la résolution est beaucoup plus importante car davantage de molécules se trouvent sous le faisceau qui permet l’irradiation du monomère. Le voxel de l’impression biphotonique peut, quant à lui, avoir une taille inférieure au micromètre cube.

« Comme l’activation biphotonique s’effectue localement, il est possible de réaliser une fabrication tridimensionnelle par simple déplacement du point focal dans le volume de la résine photopolymérisable », pointe ­Cyrille ­Monnereau. Les imprimantes biphotoniques s’affranchissent donc de la notion de fabrication couche par couche commune à de nombreux procédés de fabrication additive. Le monomère liquide résiduel est évacué après impression et peut être recyclé.

Les imprimantes peuvent être construites selon deux configurations : soit l’objectif est placé derrière une lamelle de verre, ce qui est la configuration la plus courante, soit il est plongé directement dans le bain de résine. Ce choix technologique permet de concevoir des pièces plus hautes en contournant les limites liées à la distance de travail de l’objectif.

Une autre solution a été imaginée par une start-up française, Microlight3D, pour augmenter la hauteur des pièces : déplacer l’échantillon imprimé dans l’axe du laser. « C’est un véritable atout pour avoir des pièces aux dimensions plus importantes, explique Denis Barbier, son cofondateur et PDG. Cela permet également de produire des pièces aux formes très complexes, sans support. »

Cette société s’est lancée en 2016 sur le créneau de l’impression biphotonique, sur la base de recherches menées à partir de 2002 au sein de l’université Grenoble Alpes (UGA). Microlight3D, l’un des pionniers dans ce domaine, a conservé des liens forts avec l’UGA. Ses machines sont capables d’imprimer des pièces avec une résolution de 0,2 micromètre. Il n’a qu’un seul concurrent dans le monde, l’allemand Nanoscribe.

Les deeptechs attendues au tournant

Si les applications actuelles concernent surtout la recherche, Denis Barbier ne cache pas ses ambitions pour le secteur industriel. « Nous travaillons sur des applications dans des domaines de pointe comme la microfluidique, la micro­robotique ou encore la biologie cellulaire. Il y a également un potentiel important dans le champ des métamatériaux. »

Cette application consiste à changer les propriétés d’un matériau en le microstructurant. Il est ainsi possible de conférer aux matériaux une hydrophobicité, ou de modifier certaines propriétés optiques d’une surface pour créer des métalentilles. Mais, de l’aveu de Denis Barbier, les segments de marché sur lesquels cette technologie peut avoir une réelle influence sont eux-mêmes émergents. « On attend beaucoup des start-up estampillées deeptech. Elles vont permettre de pousser de nouveaux concepts que nous pourrons accompagner. »

Microlight3D travaille sur l’amélioration de son procédé. Si le volet matériaux est important pour répondre aux besoins du marché, notamment en testant des polymères conducteurs pour des applications en électronique, la start-up veut augmenter les vitesses d’impression. Un véritable défi, qui touche à la fois la partie matérielle et la partie logicielle du procédé.