Une batterie et une oreille bionique : un indice de la promesse de l'impression 3D

Les imprimantes 3D d'aujourd'hui ne peuvent généralement construire des choses qu'à partir d'un seul type de matériau, généralement un plastique ou, dans certaines versions industrielles coûteuses des machines, un métal. Ils ne peuvent pas construire d'objets dotés de fonctions électroniques, optiques ou de tout type nécessitant l'intégration de plusieurs matériaux. Mais les avancées récentes dans le laboratoire de recherche, notamment une batterie imprimée en 3D et une oreille bionique, suggèrent que cela pourrait bientôt changer.

Encre de puissance : Cette image au microscope électronique à balayage montre une batterie lithium-ion imprimée en 3D. De minuscules buses déposent des encres d'anode et de cathode dans l'architecture précise. Le produit imprimé présenté ici mesure environ un millimètre de côté et un demi-millimètre de haut. Après impression, les électrodes sont frittées et conditionnées.

Le mois dernier, des chercheurs ont dévoilé ce qu'ils disent être la première batterie imprimée en 3D au monde, fabriquée à partir de deux encres d'électrode différentes. Dirigé par Jennifer Lewis , professeur d'ingénierie d'inspiration biologique à Harvard, le groupe a utilisé de minuscules buses pour déposer avec précision les encres d'anode et de cathode, qui contiennent respectivement des nanoparticules d'oxyde de lithium-titane et de phosphate de fer-lithium. Dans un papier dans Matériaux avancés , les chercheurs ont décrit l'impression de piles rechargeables à l'échelle millimétrique, qui pourraient être utilisées pour alimenter des éléments tels que de petits capteurs sans fil et des appareils médicaux. Les batteries, dont chacune peut être imprimée en quelques minutes, ont démontré des performances électrochimiques impressionnantes.

Couche par couche: Cette image optique montre une buse d'un diamètre de 30 micromètres déposant des couches d'encre d'électrode.

Le groupe de Lewis a développé les matériaux et la technologie d'impression personnalisée, y compris une buse pouvant imprimer des caractéristiques aussi petites qu'un micromètre, nécessaires pour imprimer plusieurs types de composants fonctionnels en plus des batteries, y compris des électrodes et antennes fabriquées à partir d'encres contenant des nanoparticules métalliques , et des structures optiques en résines photodurcissables. Maintenant qu'elle et ses collègues ont construit une palette d'encres fonctionnelles (son groupe détient huit brevets) pour l'impression numérique de composants 2D et 3D, la prochaine étape consiste à essayer de fabriquer de l'électronique intégrée, explique Lewis.

Alors que cela peut prendre de nombreuses années avant que quelque chose d'aussi compliqué qu'un smartphone soit imprimable, certains produits électroniques imprimés en 3D pourraient ne pas être trop éloignés. Prenez les appareils auditifs, par exemple, dit Lewis. Les entreprises impriment déjà la coque en plastique qui se trouve dans la cavité de l'oreille du porteur. Les composants électroniques sont assemblés séparément et les appareils utilisent de petites piles qui doivent être remplacées environ tous les sept jours. Imaginez si vous pouviez imprimer en 3D l'intégralité de l'aide auditive, dit Lewis. Nous pouvons imprimer sur des surfaces courbes. Les composants électriques, et une batterie rechargeable comme celle que son groupe vient de démontrer, pourraient ainsi être déposés de manière additive à l'intérieur de la coque en plastique.

Les opportunités qui résultent de la capacité de déposer avec précision des matériaux électroniques ou optiques dans des objets imprimés en 3D ne se limitent pas à l'électronique grand public. En mai, des chercheurs de Princeton signalé en utilisant une imprimante 3D standard pour produire une oreille conçue par ordinateur en tissu réel avec de l'électronique entrelacée, y compris une antenne enroulée et des électrodes composées d'un polymère conducteur infusé de nanoparticules d'argent. Pour imprimer des tissus, les chercheurs ont ensemencé une matrice gélatineuse avec des cellules bovines. La matrice a donné à l'oreille imprimée sa forme au fur et à mesure que les cellules se développaient en cartilage.

Les chercheurs admettent que l'oreille, qui peut détecter les radiofréquences, sert principalement de démonstration. Mais c'est néanmoins le premier exemple de ce type d'intégration du tissu biologique et de l'électronique, et suggère une nouvelle approche basée sur la fabrication additive pour l'ingénierie tissulaire.

L'oreille imprimée en 3D et la batterie de Lewis, toutes deux produites à l'aide d'imprimantes qui extrudent le matériau à travers une buse, ouvrent une fenêtre sur le potentiel de la fabrication additive pour fabriquer des choses avec plus d'une fonction, dit Richard La Haye , directeur de la EPSRC Centre de fabrication innovante en fabrication additive à l'Université de Nottingham.

Cependant, selon Hague, si l'impression 3D doit avoir un impact sur la fabrication robuste à long terme, ce sera plus probablement grâce à d'autres technologies d'impression, par exemple des machines avancées qui utilisent des têtes d'impression comme celles des imprimantes à jet d'encre conventionnelles. . Les recherches de son centre visent à surmonter les obstacles importants liés aux matériaux à l'impression de matériaux conducteurs de cette manière.

Pour l'instant, le groupe de Lewis explore des moyens de commercialiser ses imprimantes à base d'extrusion, qui peuvent imprimer des encres fonctionnelles à travers des buses aussi petites que 100 nanomètres et peuvent être équipées de têtes d'impression capables de déposer des encres à partir de plusieurs buses plus grandes en même temps. Je pense qu'il existe une voie vers la fabrication de composants personnalisés, dit-elle. C'est du moins notre vision.

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