Microfabrication 3D et micro-imprimantes 3D
Qu’est-ce que la micro-impression 3D ?
La micro-impression 3D consiste à produire des pièces à l’échelle microscopique (micro-pièces) par le biais d’imprimantes 3D très spécifiques appelées micro-imprimantes 3D. Plusieurs technologies, dont la microstéréolithographie et la micro fusion laser, par exemple, existent pour atteindre ces résolutions incroyablement fines et parfois même inférieures au micron ou micromètre (μm).
Également appelée microfabrication 3D ou microfabrication additive (“µAM” en anglais), la micro-impression 3D peut être considérée comme une forme de microfabrication, un terme polyvalent qui englobe aussi le micro-usinage et les procédés de fabrication de semi-conducteurs tels que la gravure ionique réactive. La micro-impression 3D, technologie relativement nouvelle, offre aujourd’hui une alternative à ces procédés établis.
Certaines technologies de micro-impression 3D, comme la polymérisation à deux photons (2PP), sont également associées à la nanofabrication, car elles peuvent produire des structures dont les caractéristiques sont mesurables en nanomètres (une unité mille fois plus petite que le micron).
Ce guide couvre les principales technologies de micro-impression 3D et leurs applications, tout en présentant les micro-imprimantes 3D leaders du marché.
Technologies de micro-impression 3D
Microfusion laser
Au niveau macro, le frittage sélectif par laser (SLS) est une forme de fabrication additive (FA) souvent destinée aux métaux dans laquelle un faisceau laser fusionne des particules de poudre. Une plateforme mobile permet à l’imprimante de passer d’une couche 2D à la suivante, empilant les couches les unes sur les autres pour former un objet en 3D.
Certaines micro-imprimantes 3D utilisent la microfusion laser, une forme d’impression 3D métal de haute précision, pour réaliser des structures métalliques très fines. Cette technologie est similaire au SLS, mais se différencie sur trois points principaux : un laser plus fin, une plateforme se déplaçant par incréments plus petits et donc produisant des couches plus fines, et des consommables (matériaux en poudre) composés de particules de très petit diamètre.
La capacité à produire des micro-pièces métalliques rend la microfusion laser particulièrement utile dans des domaines tels que la production de semi-conducteurs, l’aérospatiale et l’horlogerie.
Microstéréolithographie
La microstéréolithographie ou micro SLA est une forme de stéréolithographie destinée à la micro-impression 3D. Tout comme la stéréolithographie, cette technologie de “micro FA” utilise une résine polymère photosensible comme consommable. La résine est durcie de manière ciblée, couche par couche, à l’aide d’une source lumineuse de haute précision (typiquement un laser).
La microstéréolithographie dite par projection (“PµSL” en anglais), une technologie connexe, utilise quant à elle des projections d’UV au lieu d’un laser, ce qui lui donne l’avantage de pouvoir polymériser des couches 2D entières en une seule fois. En ce sens, la PµSL se rapproche de la technologie “Digital Light Processing” (DLP).
La micro SLA produit des pièces microscopiques qui peuvent être utilisées dans des industries comme la médecine, et les micro-pièces créées à partir de résine transparente trouvent leur place dans des domaines comme la microfluidique ou la micro-optique.
Polymérisation à deux photons (2PP)
Forme de lithographie multiphotonique, la polymérisation à deux photons (2PP) est une technologie d’écriture laser directe capable d’atteindre une résolution remarquablement élevée, souvent bien inférieure au micron.
Le procédé 2PP fonctionne quelque peu comme le SLA et autres procédés de photopolymérisation similaires, mais sur une zone de polymérisation beaucoup plus localisée. Au cours du processus, une molécule de photoinitiateur contenue dans une photorésistance absorbe deux photons simultanément. Cela déclenche la polymérisation autour d’un point précis du faisceau laser, créant ainsi un voxel unique. Ce processus de nanofabrication est répété jusqu’à ce qu’une forme 3D soit construite à partir de plusieurs voxels.
Les matériaux utilisés pour la polymérisation à deux photons comprennent les résines acryliques et époxydes, et les applications comprennent les micro-dispositifs médicaux, les composants micro-optiques et l’ingénierie des matériaux.
Autres technologies de micro-impression 3D
De nouvelles méthodes de microfabrication additive sont constamment en développement. Nous pouvons ainsi citer quelques technologies moins répandues :
- Le dépôt électrochimique
- Le nano jet d’encre
- La micro-impression 3D de verre
- La lithographie métal
Les meilleures micro-imprimantes 3D en 2023
| Marque | Produit | Taille d’impression | Pays | Prix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et par région, et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
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|---|---|---|---|---|---|
| Microlight3D
Informations produits validées par le fabricant.
| microFAB-3D | ⌀ 3 x 20 mm | France | 100 000 € | Devis |
| Femtika | Laser Nanofactory | – | Lithuanie | 350 000 € | Devis |
| 3D MicroPrint | DMP60 series | ⌀ 60 x 30 mm | Allemagne | sur demande | Devis |
| BMF
Informations produits validées par le fabricant.
| microArch P130 | 4 × 3 × 10 mm | United States | sur demande | Devis |
| Exaddon
Informations produits validées par le fabricant.
| CERES | 100 × 70 × 60 mm | Suisse | sur demande | Devis |
| FEMTOprint | FEMTOprint Platform | – | Suisse | sur demande | Devis |
| Incus
Informations produits validées par le fabricant.
| Hammer Lab35 | 89.6 × 56 × 120 mm | Autriche | sur demande | Devis |
| Multiphoton Optics | MPO100 TPP | 100 × 100 × 100 mm | Allemagne | sur demande | Devis |
| Nano Dimension
Informations produits validées par le fabricant.
| Fabrica Tera 250 | 50 × 50 × 100 mm | Israël | sur demande | Devis |
| Nanogrande | MPL-1 | – | Canada | sur demande | Devis |
| Nanoscribe
Informations produits validées par le fabricant.
| Quantum X shape | 50 × 50 × 20 mm | Allemagne | sur demande | Devis |
| UpNano | NanoOne | 120 × 100 × 49 mm | Autriche | sur demande | Devis |
Les produits sont classés par ordre de prix croissant.
| Marque | Produit | Taille d’impression | Matériaux | Pays | Prix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et par région, et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
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|---|---|---|---|---|---|---|
| Microlight3D
Informations produits validées par le fabricant.
| microFAB-3D | ⌀ 3 x 20 mm | Thermodurcissables | France | 100 000 € | Obtenir un devis |
| Femtika | Laser Nanofactory | – | Thermodurcissables | Lithuanie | 350 000 € | Obtenir un devis |
| 3D MicroPrint | DMP60 series | ⌀ 60 x 30 mm | Acier | Allemagne | sur demande | Obtenir un devis |
| BMF
Informations produits validées par le fabricant.
| microArch P130 | 4 × 3 × 10 mm | Thermodurcissables | United States | sur demande | Obtenir un devis |
| Exaddon
Informations produits validées par le fabricant.
| CERES | 100 × 70 × 60 mm | Or, Cuivre, Nickel | Suisse | sur demande | Obtenir un devis |
| FEMTOprint | FEMTOprint Platform | – | Verre | Suisse | sur demande | Obtenir un devis |
| Incus
Informations produits validées par le fabricant.
| Hammer Lab35 | 89.6 × 56 × 120 mm | Or, Cobalt chrome, Cuivre, Argent, Acier, Titane, Tungstène | Autriche | sur demande | Obtenir un devis |
| Multiphoton Optics | MPO100 TPP | 100 × 100 × 100 mm | – | Allemagne | sur demande | Obtenir un devis |
| Nano Dimension
Informations produits validées par le fabricant.
| Fabrica Tera 250 | 50 × 50 × 100 mm | Céramiques, Polymères | Israël | sur demande | Obtenir un devis |
| Nanogrande | MPL-1 | – | Platine, Aluminium, Cuivre, Acier, Titane | Canada | sur demande | Obtenir un devis |
| Nanoscribe
Informations produits validées par le fabricant.
| Quantum X shape | 50 × 50 × 20 mm | Polymères, Autres | Allemagne | sur demande | Obtenir un devis |
| UpNano | NanoOne | 120 × 100 × 49 mm | Thermodurcissables | Autriche | sur demande | Obtenir un devis |
Aperçu des meilleures micro-imprimantes 3D en 2023
Femtika est une société lituanienne issue du Vilnius University Laser Research Center, qui est spécialisée dans les systèmes de nanofabrication hybrides.
Ainsi, la Femtika Laser Nanofactory est une machine de nanofabrication hybride– additive et soustractive– qui combine la polymérisation multiphotonique avec la gravure sélective au laser et l’ablation au laser. Ses principaux avantages sont la fabrication multi matériaux (de microcanaux gravés dans du verre et combinés à des nanofiltres imprimés en polymère, par exemple) et l’impression sans structures de support.
Le système hybride de Femtika est conçu pour la R&D en nanofabrication industrielle dans des domaines tels que la biotechnologie, la médecine, la micro-optique et la photonique ainsi que pour la recherche universitaire.
Multiphoton Optics, filiale de Heidelberg Instruments Mikrotechnik (basée en Allemagne) est spécialisé dans la polymérisation à deux photons.
L’imprimante de nanofabrication MPO100 de Multiphoton Optics offre une résolution inférieure au micron. Elle est conçue pour l’impression de polymères sur des substrats aux formes et matériaux divers et variés, comprenant des dispositifs actifs comme les LED. L’ablation laser fait également partie de ses capacités.
Conçue pour les utilisateurs universitaires et industriels, la MPO100 est utilisée dans les domaines de la micro-optique, de la photonique, de la micromécanique et de la biomédecine.
Spécialiste de la nanofabrication, la société allemande Nanoscribe a développé une technologie basée sur la lithographie à deux photons.
Combinant la lithographie à deux photons et la lithographie à échelle de gris (« grayscale lithography”), la Quantum X shape peut atteindre une résolution inférieure au micron et d’obtenir un contrôle précis des voxels.
Le système peut produire des composants biomédicaux et des micro-environnements adaptés aux études cellulaires, ainsi que des structures de laboratoire sur puce (“lab-on-a-chip”) pour l’étude des réseaux neuronaux, de la croissance cellulaire, de la migration ou de la différenciation des cellules souches. La Quantum X shape peut également imprimer des instruments biomédicaux microscopiques (par exemple, des micro-aiguilles), des systèmes microfluidiques et des interconnexions optiques.
La société autrichienne UpNano, spécialisée dans la polymérisation à deux photons, a mis au point deux versions très spécifiques de son système de micro-impression 3D pour la nanofabrication.
La UpNano NanoOne est une imprimante 2PP dont la spécificité est un débit particulièrement élevé, allant jusqu’à 200 millimètres cubes par heure, et une résolution de 0,17 micron. Ce système est particulièrement adapté aux applications de micro-optique, de microfluidique, de micromécanique et d’ingénierie médicale.
UpNano a également mis au point la NanoOne Bio, une micro bio-imprimante 3D capable d’imprimer un hydrogel à base de gélatine utilisé dans la création de structures imitant le micro-environnement des cellules.
La société française MicroLight 3D, forte de ses 15 ans de recherche à l’Université de Grenoble Alpes (UGA), conçoit des imprimantes 3D par polymérisation à deux photons compatibles avec les polymères et les biomatériaux.
L’imprimante µFAB-3D est un système de nanofabrication par 2PP proposant une résolution de 0,2 micron, permettant d’imprimer des micro et nanostructures possédant des surfaces très lisses, ne nécessitant pas de post-traitement. Ce système peut être personnalisé avec des caractéristiques et fonctionnalités spécifiques selon les besoins de l’utilisateur.
La µFAB-3D trouve son utilité dans des domaines tels que la micro-optique, la microfluidique, la biologie cellulaire et les métamatériaux.
Spécialiste canadien de la microfabrication, Nanogrande est l’une des rares entreprises à proposer une technologie d’impression 3D adaptée à la fabrication de micro-pièces métalliques.
La Nanogrande MPL-1 utilise la technologie propriétaire de Nanogrande appelée “Power Layering Technology”, une forme de frittage laser.
Compatible avec plusieurs métaux tels que le titane, le platine et l’or, cette micro-imprimante 3D convient aux applications d’horlogerie, de bijouterie, d’électronique et d’outillage.
La société suisse FEMTOprint est unique en son genre, proposant des micro-imprimantes 3D capables de fabriquer des micro-dispositifs en verre.
Utilisant une source lumineuse pour modifier l’indice de réfraction et la densité d’un matériau, la plateforme FEMTOPRINT est capable de produire des structures en verre submicroniques utilisables dans des domaines tels que la micro-optique, la microfluidique, l’électronique et le micromoulage.
En plus de sa plateforme de micro-fabrication 3D, FEMTOprint propose aux utilisateurs universitaires et industriels des services de R&D, de prototypage et de production de micro-dispositifs.
Exaddon est une société de micro-impression 3D métallique basée en Suisse et issue de la société de biotechnologie Cytosurge AG.
La CERES d’Exaddon utilise le dépôt électrochimique pour fabriquer des pièces avec une résolution inférieure au micron. Une pointe ionique projette de minuscules quantités d’encre ionique qui est alors transformée en métal solide par le biais d’une réaction de réduction.
La machine est également capable de localiser des substrats avec une précision inférieure au micron pour permettre l’impression directe sur d’autres micro composants. Ceci est particulièrement utile pour les applications liées à l’utilisation d’interfaces neuronales directes, les modifications de surface des semi-conducteurs ou encore la conception de composants de communication à haute fréquence (par exemple, placement de micro-aiguilles sur une puce électronique).
Basée en Israël, la société de micro-AM Fabrica Group (ex Nanofabrica) a développé sa propre technologie de micro-projection adaptative, directement dérivée du micro DLP (”Digital Light Processing”, une forme d’impression 3D de résine).
La FABRICA 2.0 est capable de déplacer son plateau d’impression dans une cuve de résine photosensible par incréments de seulement 1 micron, la précision XY de son système de projection étant également de 1 micron. Cette imprimante utilise des matériaux comme l’ABS et la céramique sous forme de résine.
Grâce à son volume d’impression relativement important, la FABRICA 2.0 peut être particulièrement intéressante pour la production de petites séries de micro-pièces.
Boston Micro Fabrication (BMF) est une entreprise de micro-impression 3D basée dans le Massachusetts.
La BMF microArch P130 utilise une technologie de type DLP appelée Projection Micro Stereolithography (PµSL) offrant une résolution optique de 2 microns. Elle est compatible avec les matériaux BMF– dont une résine haute température et une résine biocompatible– et les matériaux génériques. La microArch S130 offre quant à elle une enveloppe de fabrication plus grande.
Le système de micro-impression 3D développé par BMF est utilisé dans les domaines de l’électronique, de la microfluidique, et de la production de dispositifs médicaux, entre autres.
Fondée grâce à une collaboration entre EOS et 3D-Micromac, la société allemande 3D MicroPrint se concentre sur la microfusion laser pour la microfabrication de pièces métalliques.
La série DMP60 de 3D MicroPrint comprend trois systèmes de microfusion laser : la DMP60 (pour les matériaux non réactifs), la DMP63 (pour les matériaux non réactifs et réactifs ; option laser à haute puissance) et la DMP64 (résolution la plus élevée). Ces machines utilisent un laser à fibre infrarouge et une atmosphère inerte d’argon.
3D MicroPrint affirme que ses systèmes sont généralement utilisés par les secteurs de la médecine, de l’automobile, de l’aérospatiale, de la production de semi-conducteurs et de MEMS, de l’énergie et de la chimie, de l’horlogerie et de la bijouterie.
Incus, filiale de l’entreprise d’impression 3D céramique Lithoz basée en Autriche, est une entreprise d’impression 3D métal ayant développé une technologie appelée Lithography-based Metal Manufacturing (LMM).
Le LMM est un processus de photopolymérisation dans lequel la poudre métallique est dispersée dans une résine photosensible et polymérisée de manière sélective par une source lumineuse. Avec un résultat d’une qualité comparable à celle du moulage par injection de métal (même sans post-traitement), l’imprimante Hammer offre une compatibilité avec un grand nombre de matériaux et une extensibilité industrielle.
Incus affirme que son imprimante 3D, qui peut imprimer des métaux non coulables et non soudables tels que le titane et les métaux précieux, trouve son utilité dans les domaines de l’aérospatiale, de l’énergie, du médical, de l’automobile et de la bijouterie.
Micro-impression 3D : applications
Les applications de microfabrication et de nanofabrication couvrent un large éventail d’industries et de domaines de recherche, allant de l’électronique à la microfluidique des laboratoires sur puce.
Électronique
La miniaturisation et l’allègement sont une priorité dans l’industrie électronique, et la micro FA permet justement de produire de minuscules composants électroniques tels que des micro-antennes, des dispositifs RF et des contacts électriques.
Certaines micro-imprimantes 3D peuvent également imprimer directement sur des substrats tels que des LED et des photodiodes, outrepassant ainsi l’étape d’assemblage des micro composants.
Aérospatiale et automobile
La technologie de micro-impression 3D est de plus en plus courante dans les industries aérospatiale et automobile, où les composants à l’échelle micro et nano offrent de nombreuses possibilités.
Un domaine de la microfabrication qui suscite notamment beaucoup d’intérêt est le développement et la production de nouveaux capteurs capables de détecter la pression, la température et l’humidité, autant d’éléments qui nécessitent d’être constamment contrôlés et surveillés au sein d’un véhicule.
Médical
Le secteur de la médecine et des soins de santé bénéficie grandement de l’utilisation de systèmes de microfabrication, aussi bien dans le domaine clinique que dans celui de la recherche.
De nombreuses applications de la micro-optique et de la microfluidique se recoupent avec la médecine. Il est important de noter que la microfabrication est également utilisée pour développer des dispositifs d’administration de micro-médicaments et des instruments biomédicaux tels que les micro-aiguilles et les membranes microporeuses. D’autres applications médicales incluent la fabrication de micro-robots de la taille d’une cellule.
Métamatériaux
Une application clé de la microfabrication est le développement et la production de métamatériaux ou de microstructures.
Les métamatériaux imprimés en 3D sont des microstructures dotées de motifs internes très sophistiqués qui affectent le comportement physique – l’élasticité et la résistance, par exemple – de la structure dans son ensemble. Ces motifs, qui peuvent être générés automatiquement à l’aide d’un logiciel d’optimisation topologique, prennent souvent la forme de structures lattices.
Les métamatériaux imprimés en 3D sont généralement utilisés dans l’ingénierie mécanique, l’aérospatiale, l’isolation phonique et d’autres domaines similaires.
Micro-optique
La production de micro-optiques comprend des systèmes optiques mesurant généralement entre un micron et un millimètre, ce qui nécessite d’utiliser des technologies de microfabrication produisant des structures polymères finement détaillées et à surface lisse.
Les éléments micro-optiques imprimés en 3D comprennent les micro-lentilles, les micro-prismes, les systèmes de lentilles composées, les méta-lentilles et les optiques de forme libre. Elles peuvent être utilisées dans les équipements de télécommunications optiques, l’électronique grand public et les équipements de traitement des matériaux.
Microfluidique
La microfluidique est un domaine scientifique axé sur la manipulation de minuscules quantités de fluides, généralement par le biais de canaux conçus avec précision. Elle a des applications pratiques dans des domaines tels que les laboratoires sur puce, l’impression à jet d’encre et les technologies microthermiques.
Les micro-imprimantes 3D peuvent prendre part à la fabrication des systèmes microfluidiques comprenant des canaux fluidiques extrêmement étroits ainsi que d’autres éléments microfluidiques tels que des filtres, des buses et des tubes capillaires.
Micro-impression 3D et technologies comparables
La micro-impression 3D peut être considérée comme une alternative aux procédés de microfabrication plus établis, comme le micro-usinage CNC et le moulage par micro-injection. Cependant, il est important de rappeler que ces technologies fonctionnent de manière différente et présentent des forces et des faiblesses différentes.
Micro-usinage CNC
L’usinage CNC est un processus de fabrication dans lequel un outil de coupe retire de la matière d’une pièce selon des instructions informatiques. Le micro-usinage CNC permet une précision bien supérieure à la plupart des machines CNC, dont la tolérance minimale est d’environ 50 microns.
De nombreuses micro-machines CNC (généralement des centres d’usinage à 5 axes ou des machines d’électroérosion à fil ou par enfonçage) sont capables d’atteindre des tolérances inférieures à un micron.
Le micro-usinage CNC propose de réels avantages, du fait d’une large gamme d’options de matériaux, en particulier les métaux, et la possibilité d’usiner des micro-éléments sur des macro-pièces.
Parmi les pièces micro-usinées les plus courantes, citons les engrenages miniatures, les composants de fibres optiques, les guides d’ondes pour micro-ondes, les systèmes microfluidiques, les micro-composants pour les équipements de surveillance médicale et les micro-moules.
Micro-moulage par injection (micro-injection)
Le micro-moulage par injection, micromoulage ou micro-injection est un procédé de fabrication utilisé pour créer de très petites pièces thermoplastiques moulées avec des tolérances de l’ordre du micron.
Comme le moulage par injection standard, le procédé de micro-moulage consiste à forcer un matériau fondu dans un moule métallique (qui peut être produit grâce à la micro FA, au micro-usinage CNC ou d’autres procédés de microfabrication).
Bien que limité aux thermoplastiques, le micromoulage est un procédé très utile pour fabriquer de grandes quantités de pièces identiques, avec un taux de production bien meilleur que la micro-impression 3D ou que le micro-usinage CNC.
Le procédé de micro-moulage par injection est largement utilisé pour la production d’articles minuscules comme les systèmes microfluidiques, les engrenages miniatures, les micro attaches et les connecteurs, les pièces micro moulées en deux temps et les micro pièces moulées par insertion.
Le moulage par micro-injection peut fonctionner en tandem avec la micro-impression 3D, cette dernière étant capable de produire des micro-moules.
Le futur de la micro-impression 3D
Les possibilités futures de la micro-impression 3D sont innombrables. Ainsi, des résolutions plus élevées, de nouvelles options de matériaux et une plus grande disponibilité commerciale ne sont que quelques-unes des avancées futures envisageables pour la µAM.
Les améliorations de la technologie ouvriront de nouvelles possibilités telles que le micro-outillage imprimé en 3D avec une durée de vie de plus de 1 000 utilisations, des composants plus petits pour l’électronique portable, des dispositifs biomédicaux améliorés et un prototypage à micro-échelle plus rapide.
La société suisse Exaddon estime que la micro-impression 3D jouera un rôle crucial dans la production de composants de communication haute fréquence à l’échelle microscopique pour les réseaux 6G, contribuant ainsi à créer une « infrastructure de transport de données révolutionnaire ».
FAQ
La taille minimale des pièces imprimables par une imprimante 3D dépend des composants de cette dernière, comme les moteurs pas à pas (et la précision avec laquelle ils peuvent déplacer un plateau ou tête d’impression) et les lasers (notamment la taille du laser utilisé).
Les micro-imprimantes 3D contiennent généralement des composants hautement sophistiqués conçus spécifiquement pour la fabrication de pièces à l’échelle microscopique ; une imprimante 3D ordinaire ne peut pas imprimer des pièces aussi petites.
La microfabrication est un terme générique désignant les procédés de fabrication (micro-impression 3D, micro-usinage, etc.) capables de produire des pièces à l’échelle microscopique, c’est-à-dire mesurables à l’échelle du micron. La nanofabrication est un autre terme générique destiné aux procédés de fabrication capables de produire des pièces à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire mesurant bien moins d’un micron.
Certaines micro-imprimantes 3D, comme la Femtika Laser Nanofactory, sont des systèmes hybrides capables d’effectuer des processus de microfabrication soustractive comme la gravure. D’autres sont capables d’imprimer directement sur des substrats tels que des pièces à l’échelle microscopique qui ont été fabriquées à l’aide d’autres procédés de fabrication.
La micro fabrication additive peut également être utilisée pour fabriquer des moules ou des modèles minuscules destinés au moulage par micro-injection.
