Au milieu du XVe siècle, une nouvelle technologie qui allait changer le cours de l'histoire a été inventée. L'imprimerie de Johannes Gutenberg, avec son caractère mobile, favorisé la diffusion d'informations et d'idées largement reconnues comme un facteur majeur de la Renaissance.

Plus de 500 ans plus tard, un nouveau type d'impression a été inventé dans les laboratoires du MIT. Emmanuel Sachs, professeur de génie mécanique, a inventé un procédé connu sous le nom d'impression par jet de liant. En impression jet de liant, une tête d'impression à jet d'encre dépose sélectivement un matériau liant liquide dans un lit de poudre, créant ainsi un objet tridimensionnel couche par couche.

Sachs a inventé un nouveau nom pour ce procédé :l'impression 3D. « Mon père était éditeur et ma mère était éditrice, " explique Sachs. " En grandissant, mon père m'emmenait à l'imprimerie où étaient fabriqués ses livres, ce qui a influencé ma décision de nommer le processus d'impression 3D."

Le processus d'impression par jet de liant de Sachs était l'une des nombreuses technologies développées dans les années 80 et 90 dans le domaine maintenant connu sous le nom de fabrication additive, un terme qui en est venu à décrire une grande variété de technologies de production à base de couches. Au cours des trois dernières décennies, il y a eu une explosion de la recherche sur la fabrication additive. Ces technologies ont le potentiel de transformer la façon dont d'innombrables produits sont conçus et fabriqués.

L'une des applications les plus immédiates de l'impression 3D a été le prototypage rapide de produits. « Il faut beaucoup de temps pour prototyper avec des méthodes de fabrication traditionnelles, " explique Sachs. L'impression 3D a transformé ce processus, permettant une itération et des tests rapides pendant le processus de développement du produit.

Cette flexibilité a changé la donne pour les concepteurs. "Vous pouvez désormais créer des dizaines de designs en CAO, les entrer dans une imprimante 3D, et en quelques heures vous avez tous vos prototypes, " ajoute Maria Yang, professeur de génie mécanique et directeur du laboratoire d'idéation du MIT. "Cela vous donne un niveau d'exploration de la conception qui n'était tout simplement pas possible auparavant."

Dans tout le département de génie mécanique du MIT, de nombreux membres du corps professoral ont trouvé de nouvelles façons d'intégrer l'impression 3D dans un vaste éventail de domaines de recherche. Qu'il s'agisse d'imprimer des pièces métalliques pour avions, imprimer des objets à l'échelle nanométrique, ou faire progresser la découverte de médicaments en imprimant des échafaudages complexes de biomatériaux, ces chercheurs testent les limites des technologies d'impression 3D d'une manière qui pourrait avoir un impact durable dans toutes les industries.

Amélioration de la vitesse, Coût, et précision

Il existe plusieurs obstacles technologiques qui ont empêché la fabrication additive d'avoir un impact sur le niveau de l'imprimerie de Gutenberg. A. John Hart, professeur agrégé de génie mécanique et directeur du Laboratoire de fabrication et de productivité du MIT, concentre une grande partie de ses recherches sur la résolution de ces problèmes.

"L'un des obstacles les plus importants pour rendre l'impression 3D accessible aux designers, ingénieurs, et les fabricants tout au long du cycle de vie du produit est la vitesse, Coût, et la qualité de chaque processus, " explique Hart.

Ses recherches visent à surmonter ces obstacles, et pour permettre la prochaine génération d'imprimantes 3D pouvant être utilisées dans les usines du futur. Pour que cela soit accompli, synergie entre la conception des machines, traitement des matériaux, et le calcul est nécessaire.

Pour travailler à la réalisation de cette synergie, Le groupe de recherche de Hart a examiné les processus impliqués dans le style d'impression 3D le plus connu :l'extrusion. En filage, le plastique est fondu et pressé à travers une buse dans une tête d'impression.

« Nous avons analysé le processus en fonction de ses limites fondamentales :comment le polymère pouvait être chauffé et devenir fondu, quelle force est nécessaire pour pousser le matériau à travers la buse, et la vitesse à laquelle la tête d'impression se déplace, " ajoute Hart.

Avec ces nouvelles connaissances, Hart et son équipe ont conçu une nouvelle imprimante qui fonctionnait à des vitesses 10 fois plus rapides que les imprimantes existantes. Un équipement qui aurait pris une à deux heures à imprimer pourrait maintenant être prêt en cinq à 10 minutes. Cette augmentation drastique de la vitesse est le résultat d'une nouvelle conception de tête d'impression qui, espère Hart, sera un jour commercialisée pour les imprimantes de bureau et industrielles.

Bien que cette nouvelle technologie puisse améliorer notre capacité à imprimer des plastiques rapidement, l'impression des métaux nécessite une approche différente. Pour les métaux, un contrôle qualité précis est particulièrement important pour l'utilisation industrielle de l'impression 3D. L'impression 3D en métal a été utilisée pour créer des objets allant des buses de carburant d'avion aux implants de hanche, pourtant, il ne fait que commencer à se généraliser. Les articles fabriqués à l'aide de l'impression 3D sur métal sont particulièrement sensibles aux fissures et aux défauts en raison des grands gradients thermiques inhérents au processus.

Pour résoudre ce problème, Hart intègre le contrôle de la qualité dans les imprimantes elles-mêmes. "Nous construisons une instrumentation et des algorithmes qui surveillent le processus d'impression et détectent s'il y a des erreurs - aussi petites que quelques micromètres - pendant que les objets sont imprimés, ", explique Hart.

Ce suivi est complété par des simulations avancées, y compris des modèles qui peuvent prédire comment la poudre utilisée comme matière première pour l'impression est distribuée et peuvent également identifier comment modifier le processus d'impression pour tenir compte des variations.

Le groupe Hart a été pionnier dans l'utilisation de nouveaux matériaux dans l'impression 3D. Il a développé des méthodes d'impression avec de la cellulose, le polymère le plus abondant au monde, ainsi que des nanotubes de carbone, nanomatériaux qui pourraient être utilisés dans l'électronique flexible et les étiquettes radiofréquence à faible coût.

En matière d'impression 3D à l'échelle nanométrique, Le collègue de Hart Nicholas Xuanlai Fang, professeur de génie mécanique, a repoussé les limites de la taille de ces matériaux.

Impression de nanomatériaux à l'aide de la lumière

Inspiré par les industries des semi-conducteurs et des puces de silicium, Fang a développé une technologie d'impression 3D qui permet d'imprimer à l'échelle nanométrique. En tant que Ph.D. étudiant, Fang s'est d'abord intéressé à l'impression 3D tout en recherchant un moyen plus efficace de fabriquer les microcapteurs et les micropompes utilisés pour l'administration de médicaments.

"Avant l'impression 3D, vous aviez besoin d'installations coûteuses pour fabriquer ces microcapteurs, " explique Fang. " A l'époque, vous enverriez des schémas de conception à un fabricant de silicium, alors vous attendriez quatre à six mois avant de récupérer votre puce. » Le processus a pris tellement de temps qu'il a fallu quatre ans à l'un de ses collègues de laboratoire pour obtenir huit petites plaquettes.

Alors que les progrès des technologies d'impression 3D ont rendu les processus de fabrication de produits plus volumineux moins chers et plus efficaces, Fang a commencé à rechercher comment ces technologies pourraient être utilisées à une échelle beaucoup plus petite.

Il s'est tourné vers un procédé d'impression 3D connu sous le nom de stéréolithographie. En stéréolithographie, la lumière est envoyée à travers une lentille et provoque le durcissement des molécules en polymères tridimensionnels, un processus connu sous le nom de photopolymérisation.

La taille des objets pouvant être imprimés par stéréolithographie était limitée par la longueur d'onde de la lumière envoyée à travers la lentille optique - ou la limite de diffraction - qui est d'environ 400 nanomètres. Fang et son équipe ont été les premiers chercheurs à dépasser cette limite.

"Nous avons essentiellement pris la précision de la technologie optique et l'avons appliquée à l'impression 3D, " dit Fang. Le processus, dite micro-stéréolithographie par projection, transforme un faisceau de lumière en une série de motifs ondulés. Les motifs ondulés sont transférés à travers l'argent pour produire des lignes fines aussi petites que 40 nm, qui est 10 fois plus petite que la limite de diffraction et 100 fois plus petite que la largeur d'une mèche de cheveux.

La possibilité de modéliser des caractéristiques aussi petites en utilisant l'impression 3D contient d'innombrables applications. L'une des utilisations de la technologie recherchée par Fang est la création d'une petite structure en forme de mousse qui pourrait être utilisée comme substrat pour la conversion catalytique dans les moteurs automobiles. Cette structure pourrait traiter les gaz à effet de serre au niveau moléculaire dans les instants suivant le démarrage d'un moteur.

« Quand vous démarrez votre moteur pour la première fois, c'est le plus problématique pour les composants organiques volatils et les gaz toxiques. Si nous devions chauffer ce pot catalytique rapidement, nous pourrions traiter ces gaz plus efficacement, " il explique.

Fang a également créé une nouvelle classe de métamatériaux imprimés en 3D en utilisant la micro-stéréolithographie par projection. Ces matériaux sont composés de structures et de géométries complexes. Contrairement à la plupart des matériaux solides, les métamatériaux ne se dilatent pas avec la chaleur et ne rétrécissent pas avec le froid.

"Ces métamatériaux pourraient être utilisés dans des circuits imprimés pour éviter la surchauffe ou dans des objectifs de caméra pour s'assurer qu'il n'y a pas de rétrécissement qui pourrait entraîner une perte de mise au point d'un objectif dans un drone ou un drone, " dit Fang.

Plus récemment, Fang s'est associé à Linda Griffith, École d'ingénieur Enseignement Innovation Professeur de Génie Biologique et Mécanique, appliquer la micro-stéréolithographie par projection au domaine de la bio-ingénierie.

Cultiver des tissus humains à l'aide de l'impression 3D

Les cellules humaines ne sont pas programmées pour se développer dans une boîte de Pétri bidimensionnelle. Alors que les cellules prélevées sur un hôte humain peuvent se multiplier, une fois qu'ils deviennent suffisamment épais, ils meurent de faim sans un approvisionnement constant en sang. Cela s'est avéré particulièrement problématique dans le domaine de l'ingénierie tissulaire, où les médecins et les chercheurs s'intéressent à la culture de tissus dans une boîte à utiliser dans les greffes d'organes.

Pour que les cellules se développent sainement et s'organisent en tissus in vitro, ils doivent être placés sur une structure ou un « échafaudage ». Dans les années 1990, Griffith, expert en ingénierie tissulaire et médecine régénérative, s'est tourné vers une technologie naissante pour créer ces échafaudages :l'impression 3D.

"Je savais que pour reproduire la physiologie humaine complexe in vitro, nous devions créer des microstructures à l'intérieur des échafaudages pour transporter les nutriments vers les cellules et imiter les contraintes mécaniques présentes dans l'organe lui-même, " explique Griffith.

Elle a co-inventé un procédé d'impression 3D pour fabriquer des échafaudages à partir du même matériau biodégradable utilisé dans les sutures. De minuscules réseaux complexes de canaux avec une architecture de branchement ont été imprimés dans la structure de ces échafaudages. Le sang pourrait voyager à travers les canaux, permettant aux cellules de se développer et éventuellement de commencer à former des tissus.

Au cours des deux dernières décennies, ce processus a été utilisé dans divers domaines de la médecine, y compris la régénération osseuse et la croissance du cartilage en forme d'oreille humaine. Alors que Griffith et ses collaborateurs avaient à l'origine pour objectif de régénérer un foie, une grande partie de leurs recherches se sont concentrées sur la façon dont le foie interagit avec les médicaments.

« Une fois que nous avons réussi à faire pousser du tissu hépatique, l'étape suivante consistait à relever le défi d'en tirer des informations prédicatives utiles sur le développement de médicaments, " ajoute Griffith.

Développer des échafaudages plus complexes qui fournissent de meilleures informations prédictives, Griffith a collaboré avec Fang pour appliquer ses technologies d'impression nano-3-D à l'ingénierie tissulaire. Ensemble, ils ont construit une machine de micro-stéréolithographie à projection personnalisée qui peut imprimer des échafaudages à haute résolution connus sous le nom de systèmes mésophysiologiques du foie (LMS). L'impression en micro-stéréolithographie permet aux échafaudages qui composent le LMS d'avoir des canaux aussi petits que 40 microns de large. Ces petits canaux permettent la perfusion de l'organe bioartificiel à un débit élevé, qui permet à l'oxygène de se diffuser dans toute la masse cellulaire dense.

"En imprimant ces microstructures plus en détail, nous nous rapprochons d'un système qui nous donne des informations précises sur les problèmes de développement de médicaments comme l'inflammation du foie et la toxicité des médicaments, en plus des données utiles sur les métastases cancéreuses unicellulaires, " dit Griffith.

Étant donné le rôle central du foie dans le traitement et le métabolisme des médicaments, la capacité d'imiter sa fonction dans un laboratoire a le potentiel de révolutionner le domaine de la découverte de médicaments.

L'équipe de Griffith applique également sa technique de micro-stéréolithographie par projection pour créer des échafaudages pour la croissance de cellules souches pluripotentes induites dans un tissu cérébral de type humain. "En cultivant ces cellules souches dans les échafaudages imprimés en 3D, nous espérons pouvoir créer la prochaine génération d'organoïdes cérébraux plus matures afin d'étudier des maladies complexes comme la maladie d'Alzheimer, " explique Pierre Sphabmixay, un doctorat en génie mécanique. candidat dans le laboratoire de Griffith.

Partenariat avec l'industrie

Pour que l'impression 3D ait un impact durable sur la conception et la fabrication des produits, les chercheurs doivent travailler en étroite collaboration avec l'industrie. Pour aider à combler ce fossé, le MIT Center for Additive and Digital Advanced Production Technologies (APT) a été lancé fin 2018.

"L'idée était de croiser la recherche en fabrication additive, développement industriel, et l'éducation dans toutes les disciplines sous l'égide du MIT, " explique Hart, qui a fondé et dirige l'APT. "Nous espérons qu'APT contribuera à accélérer l'adoption de l'impression 3D, et nous permettent de mieux orienter nos recherches vers de véritables avancées au-delà de ce que l'on peut imaginer aujourd'hui."

Depuis le lancement d'APT en novembre 2018, MIT et les douze sociétés membres fondateurs, qui comprennent des sociétés telles qu'ArcelorMittal, Autodesk, Bosch, Formlabs, General Motors, et le groupe Volkswagen—se sont rencontrés à la fois lors d'un grand salon en Allemagne et sur le campus. Plus récemment, ils se sont réunis au MIT pour un atelier sur la formation évolutive de la main-d'œuvre pour la fabrication additive.

« Nous avons créé un lien collaboratif pour les membres de l'APT afin de s'unir et de résoudre les problèmes communs qui limitent actuellement l'adoption de l'impression 3D et plus largement, de nouveaux concepts de production numérique à grande échelle, " ajoute Haden Quinlan, directeur de programme de l'APT. Beaucoup considèrent également Boston comme l'épicentre de l'innovation et de l'entrepreneuriat en impression 3D, grâce en partie à plusieurs startups locales à croissance rapide fondées par des professeurs et des anciens du MIT.

Des efforts comme APT, couplée au travail de pionnier réalisé dans le domaine de la fabrication additive au MIT, pourrait remodeler la relation entre la recherche, conception et fabrication de nouveaux produits dans toutes les industries.

Les concepteurs pouvaient rapidement prototyper et itérer la conception des produits. Plus sûr, des charnières métalliques plus précises pourraient être imprimées pour une utilisation dans les avions ou les voitures. Les métamatériaux pourraient être imprimés pour former des puces électroniques qui ne surchauffent pas. Des organes entiers pourraient être cultivés à partir de cellules de donneur sur des échafaudages imprimés en 3D. Bien que ces technologies ne déclenchent peut-être pas la prochaine Renaissance comme l'a fait l'imprimerie, ils offrent des solutions à certains des plus grands problèmes auxquels la société est confrontée au 21e siècle.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.