Impressions de carbone Matériaux étonnants

Fort de son expérience en chimie, le PDG Joseph DeSimone a adopté une toute nouvelle approche de la fabrication de pointe, permettant à Carbon, numéro 18 sur notre liste des 50 entreprises les plus intelligentes, d'imprimer des matériaux avec un large éventail de propriétés utiles. Par

• Catherine Bourzac page d'archives

27 juin 2017

Léonard Greco

Un bras mécanique élégant plonge dans une piscine de ce qui ressemble à de l'encre gris laiteux dans le laboratoire de Carbon à Redwood City, Californie (voir ' 50 Smartest Companies 2017 .') Le bras noir se déplace lentement vers le haut, tirant un cube en plastique en treillis hors du bain, brillant et dégoulinant d'encre : un modèle à grande échelle de la structure poreuse de l'os.

Joseph DeSimone, PDG et cofondateur de Carbon, regarde. DeSimone, un chimiste des polymères, a aidé à inventer ces machines, et il prend toujours plaisir à les regarder fonctionner. Il s'agit d'une forme d'impression 3D, mais elle est réalisée d'une manière nouvelle qui est plus rapide que les techniques précédentes et fonctionne avec de nombreux autres types de plastiques. La façon dont l'imprimeur tire doucement l'objet de la mare de liquide laiteux, millimètre par millimètre, donne l'illusion qu'une structure existante est en train d'émerger. En fait, le liquide est un matériau précurseur photosensible ; un projecteur numérique projette en continu de la lumière ultraviolette sur le fond du treillis, la première des deux étapes qui durcissent le matériau pour former l'objet en plastique.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2017

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Utilisant son processus d'impression rapide d'objets avec des polymères hautes performances comme les polyuréthanes et les époxydes, Carbon, quatre ans, poursuit une approche fondamentalement différente des autres méthodes d'impression 3D, qui déposent des couches de plastique une à la fois. Cela limite la qualité de nombreux produits imprimés en 3D, mais Carbon fabrique un objet dans un processus continu, évitant certains problèmes typiques. DeSimone affirme que sa technologie permet à Carbon d'imprimer rapidement des objets en polymère, dans certains cas des milliers de fois plus rapidement que d'autres imprimantes 3D, et d'utiliser une plus large gamme de matériaux, y compris des élastomères de type caoutchouc et des plastiques durs durables.

L'Adidas Futurecraft 4D comprend des semelles intercalaires imprimées par Carbon.

La technologie d'impression 3D existe depuis les années 1980 ; Les fans ont été intrigués par la possibilité de générer facilement des objets avec des structures complexes qui ne peuvent pas être fabriquées à l'aide d'autres techniques, et de personnaliser des objets tels que des dispositifs médicaux ou des vêtements aussi facilement que différentes images peuvent être imprimées sur une feuille de papier. Cependant, deux défis ont fait de l'impression 3D une technologie de niche : sa vitesse lente et la gamme limitée de matériaux pour lesquels elle est adaptée. Récemment, des entreprises comme HP, qui vend des imprimantes 3-D pour fabriquer des pièces en nylon à haute résistance, et Desktop Metal (voir L'imprimante 3-D qui pourrait enfin changer la fabrication ), dont la machine utilise divers alliages métalliques, ont tenté de rendre la technologie plus pertinent pour la fabrication en augmentant sa vitesse et en utilisant des matériaux industriellement souhaitables. Le carbone rejoint ce domaine de plus en plus encombré. Soutenue par 222 millions de dollars d'investisseurs, dont GE Ventures et Google Ventures d'Alphabet, la société a créé un processus qu'elle appelle la synthèse numérique de la lumière plutôt que l'impression 3D, une façon de faire allusion à sa nouvelle chimie.

La liste croissante de clients payants de Carbon ajoute de la crédibilité à l'affirmation de DeSimone selon laquelle l'impression 3D est enfin prête à fabriquer en série des pièces personnalisées. Le volume et la vitesse que nous pouvons atteindre avec la synthèse de lumière numérique pionnière de Carbon sont sans précédent, déclare Paul Gaudio, directeur créatif mondial d'Adidas. C'est presque magique. Adidas a essayé d'autres imprimantes 3D alors qu'elle cherchait à fabriquer des chaussures personnalisées pour le marché de masse, mais aucune d'entre elles ne pouvait fonctionner à grande échelle. Désormais, elle utilisera la technologie de Carbon pour fabriquer des semelles intercalaires en élastomère pour chaussures de sport, à partir de 5 000 paires cet automne et cet hiver. La société espère imprimer des millions de chaussures, y compris des modèles sur mesure, d'ici 2021. D'autres clients profitent de la technologie de Carbon pour imprimer des pièces pour les motos électriques, les fermes de serveurs et les systèmes de refroidissement, qui ont tous été difficiles ou impossibles à fabriquer. avec d'autres méthodes.

Mélange de polymères

Avant de fonder Carbon en 2013, DeSimone a passé plus de 20 ans en tant que chimiste des polymères à l'Université de Caroline du Nord. En 2012, alors que l'impression 3D devenait populaire auprès des pirates utilisant des modèles de bureau, il a reçu un appel d'Alex Ermoshkin, un ancien étudiant et employé d'une société de distribution de médicaments que DeSimone avait créée au début des années 2000. Ermoshkin est venu le voir avec une idée d'entreprise : serait-il intéressé par la création d'une entreprise pour construire des imprimantes 3D moins chères ?

DeSimone, qui avait une certaine expérience de la technologie, était intrigué. Il a suggéré qu'Ermoshkin fasse une recherche de brevets pour voir ce qui manquait dans le domaine. Ermoshkin a trouvé de nombreuses descriptions de façons d'imprimer des objets en trois dimensions une couche à la fois, certaines utilisant la lumière UV pour lier des blocs de construction chimiques et les durcir pour former des polymères. La stéréolithographie est l'une des méthodes d'impression 3D originales, mais elle a toujours été limitée par les propriétés de ces plastiques durcissables aux UV, qui n'ont pas inclus la durabilité ou la flexibilité. De plus, les produits résultants formés en couches avaient tendance à être faibles. La stéréolithographie est utile pour la réalisation de prototypes, mais pas pour les pièces finales. De plus, les imprimantes étaient très lentes, prenant des heures voire des jours pour fabriquer de gros objets.

Les deux ont commencé à réfléchir à la façon d'imprimer sans s'arrêter. Ils ont été inspirés, dit DeSimone, par l'image du robot humanoïde T-1000 sortant d'une piscine de liquide métallique pour se tenir debout sur deux pieds dans le film de 1991. Terminator 2 : Le Jugement dernier. Dans le système imaginé par DeSimone et Ermoshkin, des motifs lumineux seraient projetés dans la baignoire, comme des images sur un écran de cinéma, à mesure que le bras de l'imprimante se lèverait. Au fur et à mesure que la lumière durcissait le matériau, l'objet se formait continuellement.

Parmi les défis délicats que l'équipe a dû résoudre, il y avait comment empêcher les objets de coller au fond de la baignoire. DeSimone a trouvé la solution : une fenêtre perméable à l'oxygène, qui tire parti du fait que ces types de réactions déclenchées par les UV sont arrêtées par l'oxygène. C'est un petit détail, mais essentiel.

Le vice-président des matériaux de Carbon, Jason Rolland, explique que la société s'est concentrée sur le dépassement des limites des polymères durcissables aux UV, en développant des mélanges offrant une large gamme de propriétés. Le système peut maintenant imprimer avec 12 classes de matériaux — certains durables, certains extensibles ou spongieux, certains capables de supporter des poids lourds. L'un, un ester cyanate qui peut résister à des températures allant jusqu'à 231 °C, convient à la fabrication de pièces automobiles et aérospatiales. Une autre classe, les élastomères, comprend les matériaux spongieux qu'Adidas utilise. DeSimone prévoit une boutique d'applications pour les résines à partir de laquelle les clients de l'entreprise peuvent commander pour imprimer ce dont ils ont besoin.

Mise à l'échelle

Carbon a travaillé avec Adidas sur 150 itérations différentes de l'élastomère dans sa nouvelle chaussure, qui utilise une semelle intercalaire imprimée avec une structure en treillis. Les propriétés mécaniques de la structure peuvent être adaptées en modifiant le motif des trous et des entretoises du treillis, ce qui porte la personnalisation à grande échelle.

Dans le hall de Carbon, un grand écran affiche l'état de fonctionnement de toutes ses imprimantes, à la fois sur site et chez les clients. La société vend les appareils sur un modèle d'abonnement, puis travaille avec les clients pour sélectionner les bons matériaux et les bons modèles. Toutes les six semaines environ, Carbon envoie des mises à jour logicielles en fonction de ce qu'il voit sur le terrain — une tactique inspirée par Tesla, l'ancien employeur du vice-président de l'ingénierie de Carbon, Craig Carlson. Carbon conçoit actuellement un logiciel d'apprentissage automatique pour aider à générer la conception et les paramètres d'impression optimaux pour un produit donné. Nous voulons voir les problèmes avant d'imprimer, dit DeSimone.

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