Une nouvelle dimension : comment une start-up a refaçonné la fabrication de précision

En partenariat avec BMF

La fabrication traditionnelle est confrontée à des défis importants lorsqu'elle est chargée de créer rapidement de petits composants qui impliquent des structures extrêmement complexes, minutieuses et de précision, telles que des connecteurs miniatures et des micro-lentilles pour endoscopes. Toutes ces pièces nécessitent une fabrication de précision haut de gamme pour créer un profil de surface exact et des structures internes compliquées, ce qui est coûteux. Aujourd'hui, la technologie d'impression nano/micro 3D de pointe surmonte ces obstacles en offrant une personnalisation plus simple et une production plus rapide de ces pièces compliquées, tout en répondant à la demande croissante de fabrication de précision dans d'autres domaines.

Le chercheur de marché Technavio prévoit que le marché mondial des services d'impression 3D continuera de croître de 44 % par an jusqu'en 2021. Le besoin croissant de fabrication de précision alimente également la croissance des services d'impression 3D de précision. Le marché mondial de la lunetterie, par exemple, devrait afficher un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 3,7 % jusqu'en 2018, atteignant 130 milliards de dollars, selon Transparency Market Research.

[De nombreux] problèmes de fabrication peuvent désormais être résolus grâce à cette nouvelle capacité de production rapide et bon marché, de sorte que le marché potentiel des pièces nano/micro imprimées commence à peine à apparaître, déclare William Plummer, scientifique principal et membre du conseil consultatif de BMF Material Technology, un Entreprise en démarrage basée à Boston/Shenzhen qui fabrique des imprimantes et des matériaux nano/micro 3D, ainsi que des produits personnalisés pour d'autres entreprises utilisant son équipement.

Alors que les startups d'impression 3D bien connues telles que Desktop Metal et Carbon ont déjà attiré beaucoup d'attention sur le marché, elles se concentrent sur la fabrication à plus grande échelle. Au fur et à mesure que la technologie a progressé, elle est devenue plus apte à créer des composants plus détaillés et plus petits.

L'impression nano/micro 3D est capable de générer des composants complexes et minuscules. Il s'agit de l'incarnation la plus précise de la technologie d'impression 3D, et elle est sur le point de révolutionner l'industrie de la fabrication de composants de précision. Aujourd'hui, des entreprises telles que BMF portent cette technologie à un nouveau niveau avec des imprimantes qui ont une résolution micrométrique/nanométrique et la capacité d'effectuer une fabrication à grand volume. Selon Plummer, ce qui distingue BMF, c'est le niveau de rigueur de l'équipement et les choix uniques de matériaux et de processus : la technologie d'impression 3D de précision de BMF peut fabriquer de petites pièces mécaniques, telles que de minuscules ressorts, des formes de connecteurs électriques spéciales, et même des pièces compliquées et dispositifs exigeants tels que les stents cardiaques.

Comment ça fonctionne

Peu d'avancées technologiques ont capturé l'imagination du public et inspiré l'ingénierie et la créativité artistique dans la même mesure que l'impression 3D, en particulier l'impression nano/micro 3D. À partir d'un fichier numérique, il est possible de créer un objet physique en trois dimensions. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une nouvelle technologie, les progrès récents en ont fait un moyen plus pratique de créer des prototypes, des composants uniques et des articles trop chers ou difficiles à fabriquer en utilisant des méthodes traditionnelles telles que le moulage et l'usinage CNC (commande numérique par ordinateur).

BMF utilise une technique appelée Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure), qui est similaire à la méthode utilisée dans un dispositif d'affichage vidéo à micro-échelle lorsqu'une série d'images est projetée séquentiellement à travers une lentille de réduction pour durcir la résine photopolymère sensible à la lumière. Lorsque le motif d'image réduit est focalisé sur la résine photosensible, la lumière ultraviolette initie le processus de durcissement ou de durcissement, appelé photoréticulation. Seule la zone éclairée par la lumière polymérise et durcit dans la forme 3-D prescrite. Les motifs lumineux projetés sont définis par les images 3D, qui sont les sections d'un modèle 3D généré par ordinateur. Combiné à diverses techniques de post-traitement, BMF peut fabriquer une large gamme de produits, y compris des articles tels que des céramiques et des lentilles optiques.

La principale différence entre l'impression 3D nano/micro et traditionnelle est le degré de précision et de résolution permis par l'impression 3D nano/micro. Lors de la description de cette méthode d'impression 3D, la résolution entre les niveaux méso, micro et nano (c'est-à-dire un milliardième de mètre). Ce calibre d'impression 3D peut reproduire des composants miniatures véritablement microscopiques à des niveaux de détail et de précision impossibles à atteindre avec l'impression 3D classique.

Ces dernières années, l'impression 3D a atteint le point où les consommateurs peuvent acheter une imprimante 3D pour n'importe où entre 200 $ et 500 $. Cependant, ces imprimantes bas de gamme ne ressemblent guère aux imprimantes 3D nano/micro sophistiquées que des entreprises telles que BMF construisent et utilisent désormais pour fabriquer divers composants.

Fabrication de précision

BMF est entré sur le marché de l'impression nano/micro 3D haute résolution en mai 2016, lorsqu'il s'est séparé du laboratoire de nanophotonique et de nanofabrication 3D du MIT. La technologie de l'entreprise est basée sur la même technologie qui a été nommée l'une des Examen de la technologie MIT 10 technologies révolutionnaires en 2014 et 2015. (En fait, Nicholas Fang, co-fondateur/chercheur en chef chez BMF, fait partie d'une équipe de technologie d'impression nano/micro 3D reconnue par Examen de la technologie MIT en 2015.)

BMF se concentre sur la fabrication de composants de précision plus petits, mais aux volumes plus élevés requis par des segments industriels tels que les dispositifs médicaux. Le système d'impression 3D de BMF peut atteindre un volume élevé en raison de la petite taille des composants que nous fabriquons, explique Xiaoning He, co-fondateur/PDG de la société. Les petites tailles de pièces permettent d'imprimer simultanément un grand nombre de composants. Par exemple, les imprimantes 3D de BMF peuvent fabriquer des centaines de lentilles d'un diamètre d'environ un millimètre en une heure, ce qui se traduit par une capacité de fabrication de centaines de milliers de pièces par an, ce qui peut répondre à la demande en volume des fabricants d'endoscopes. De plus, chaque pièce d'un lot de composants peut être fabriquée sur mesure, quel que soit le nombre de composants fabriqués. Ces capacités peuvent répondre aux demandes de volume des clients industriels qui ont besoin de petits composants de précision.

Technologie innovante

Avec son approche innovante, l'équipe BMF a ciblé l'industrie de l'optique. Le marché lucratif des lunettes optiques en Chine représente à lui seul 12 milliards de dollars par an. La plupart des lunettes ne sont pas vraiment personnalisées selon les besoins et les spécifications d'un individu, mais sont basées sur des prescriptions standard. Les lunettes compliquées, telles que les lentilles de forme libre, coûtent cher, déclare Yi Zhen, directeur adjoint du département de transfert de technologie médicale à l'Institut d'ophtalmologie de Pékin, à Pékin. Hôpital de Tongren . Par exemple, le prix de détail d'une paire de lentilles de forme libre personnalisées [utilisant la fabrication traditionnelle] peut atteindre 1 300 $.

L'œil humain est un organe complexe, et ce n'est pas un système optique parfait. Il n'y a pas deux yeux identiques, dit Zhen. Cependant, les lentilles traditionnelles sont produites à partir d'ébauches de lentilles semi-finies qui sont moulées en usine en grande quantité. Les verres de forme libre personnalisés ont le potentiel de libérer les porteurs de lunettes des compromis optiques des verres traditionnels produits en série. Les lentilles de forme libre personnalisées traditionnelles nécessitent des machines coûteuses… de sorte que la plupart des gens ne peuvent pas se le permettre. Ainsi, la plupart des patients ne peuvent pas obtenir une correction de vision idéale et leur vue continue de se détériorer.

L'hôpital Tongren de Pékin est le plus grand hôpital ophtalmologique de Chine, avec environ un million de visites de patients par an. Ningli Wang, professeur à Beijing Tongren, et son équipe se sont associés à BMF pour produire des lentilles de forme libre personnalisées à faible coût selon la prescription de chaque individu. L'équipe a conçu et fabriqué avec succès une lentille personnalisée sophistiquée avec les caractéristiques de conception suivantes :

• Conception torique qui corrige l'astigmatisme et réduit les aberrations ;
• Conception asphérique qui corrige la myopie et réduit l'épaisseur du bord de la lentille ;
• Conception de défocalisation périphérique qui contrôle le développement de la myopie chez les enfants.

Bien qu'une telle lentille de forme libre soit traditionnellement difficile et coûteuse à produire, avec la technologie de BMF, sa fabrication ne prend qu'environ quatre heures et la lentille a un coût similaire à celui d'une lentille ordinaire. Avec des coûts de système et une vitesse de production bien inférieurs, les verres imprimés en 3D sont sur le point de révolutionner la fourniture de verres de lunettes spéciaux à la profession ophtalmique, déclare Mo Jalie, scientifique principal et membre du conseil consultatif de BMF.

La technologie de BMF peut également potentiellement révolutionner de nombreux autres domaines ophtalmiques, y compris la création de lentilles de contact correctives sur mesure qui aident les patients souffrant d'aberrations complexes après des problèmes tels qu'une greffe de cornée, le kératocône (une maladie oculaire progressive dans laquelle la cornée normalement ronde se déforme en une forme conique) et les conditions causées par des blessures externes. L'impression 3D pour l'industrie des lentilles optiques est comme l'impression numérique pour l'industrie de l'édition, dit Wang. Cette nouvelle technologie se traduit par une production de lentilles plus rapide, moins coûteuse, plus flexible et plus précise.

Nouvelles dimensions de fabrication

Il existe une myriade d'autres cas d'utilisation de précision pour l'impression nano/micro 3D, tels que les stents cardiaques, les lentilles d'endoscope et les connecteurs électriques spécifiques, explique Xiaoning. Actuellement, l'usinage au laser est nécessaire pour découper la structure interne complexe des stents cardiaques. L'impression 3D peut générer plus facilement la structure nécessaire, permettre des conceptions plus sophistiquées et réduire considérablement les coûts par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles.

Les connecteurs électriques deviennent également de plus en plus petits et complexes. La technologie d'impression nano/micro 3D donne aux ingénieurs les outils nécessaires pour concevoir des connecteurs complexes et de forme irrégulière. Xiaoning indique que BMF a également reçu des commandes dans de nombreux autres domaines, notamment les composants céramiques de précision.

Comme pour toute technologie émergente, l'impression nano/micro 3D devient plus précise, plus performante et moins coûteuse. Il peut fournir une plus grande précision à un coût nettement inférieur et est plus rapide et plus simple que les méthodes traditionnelles offrant des niveaux de précision similaires.

Le marché mondial des pièces fabriquées de haute précision est très exigeant et lucratif. Et la plupart du temps, la technologie traditionnelle ne fonctionne tout simplement pas du tout, dit Xiaoning. Lorsqu'il décrit les défis de la fabrication de composants microscopiques, il cite une phrase de l'industrie, Parfois, nous disons : 'Plus c'est petit, plus c'est dur'.

Pour en savoir plus sur la technologie d'impression nano/micro 3D, visitez www.bmftec.cn

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