Les hologrammes augmentent l'efficacité de l'impression 3D

Alors que les imprimantes 3D traditionnelles fonctionnent en déposant des couches de matériau, la fabrication additive volumétrique tomographique (TVAM) consiste à projeter de la lumière laser sur un flacon de résine en rotation jusqu’à ce que celle-ci durcisse là où l’énergie accumulée dépasse un certain seuil. L’un des avantages de la TVAM est qu’elle peut produire des objets en quelques secondes, contre environ 10 minutes pour l’impression 3D par couches. Mais l’inconvénient est qu’elle est très inefficace car seulement environ 1 % de la lumière codée atteint la résine pour produire la forme souhaitée.

Des scientifiques du Laboratoire de dispositifs photoniques appliqués de l’EPFL, dirigé par Christophe Moser, et du Centre d’ingénierie photonique de l’Université du Danemark du Sud, sous la houlette de Jesper Glückstad, ont présenté une méthode TVAM dans Nature Communications qui réduit considérablement la quantité d’énergie nécessaire à la fabrication d’objets, tout en améliorant la résolution. Cette technique consiste à projeter un hologramme tridimensionnel d’une forme sur le flacon de résine en rotation. Contrairement à la TVAM traditionnelle, qui code l’information en amplitude (hauteur) des ondes lumineuses projetées, la méthode holographique tire parti de leur phase, ou position.

Ce petit changement a un impact important. «L’ensemble des entrées de pixels contribue à l’image holographique dans tous les plans, ce qui nous donne une meilleure efficacité lumineuse ainsi qu’une meilleure résolution spatiale dans l’objet 3D final car les motifs projetés peuvent être contrôlés dans la profondeur de projection», résume Christophe Moser.

Dans le cadre des travaux récemment publiés, l’équipe a imprimé des objets 3D complexes tels que des bateaux miniatures, des sphères, des cylindres et des œuvres d’art en moins de 60 secondes avec une précision exceptionnelle, en utilisant 25 fois moins de puissance optique que les études précédentes.

Copier des structures biologiques complexes

Les hologrammes sont générés à l’aide d’une technique appelée HoloTile, inventée par Jesper Glückstad. HoloTile consiste à superposer plusieurs hologrammes d’un motif de projection souhaité et élimine les interférences lumineuses aléatoires appelées bruit speckle qui, autrement, créeraient des images granuleuses. Bien que la fabrication additive volumétrique holographique ait déjà été rapportée, l’approche de l’équipe conjointe EPFL-SDU est la première à produire des objets imprimés en 3D d’une telle fidélité, en grande partie grâce à l’utilisation de HoloTile.

Maria Isabel Alvarez-Castaño, étudiante à l’EPFL et auteure principale, explique qu’une autre particularité de l’approche holographique est que les faisceaux holographiques peuvent être «autoréparés», c’est-à-dire qu’ils peuvent se propager à travers une résine sans être perturbés par de petites particules. Cette propriété d’autoréparation est essentielle pour l’impression 3D avec des biorésines et des hydrogels chargés de cellules, ce qui en fait une méthode idéale pour les applications biomédicales.

«Nous souhaitons utiliser notre approche pour construire des formes 3D complexes de structures biologiques, nous permettant ainsi de bio-imprimer, par exemple, des modèles de tissus ou d’organes grandeur nature», explique Maria Isabel Alvarez-Castaño.

À l’avenir, l’équipe vise à améliorer encore l’efficacité de sa méthode à deux niveaux. Christophe Moser explique qu’avec quelques améliorations informatiques, la finalité est d’utiliser la fabrication additive volumétrique holographique pour fabriquer des objets en projetant simplement un hologramme sur une résine, sans avoir à la faire pivoter. Cela pourrait simplifier davantage la fabrication additive volumétrique et accroître le potentiel de procédés de fabrication à grand volume et économes en énergie. Il ajoute que le fait que les hologrammes puissent être codés à l’aide de matériel commercial standard renforce l’aspect pratique de l’approche.

«L’ajout holographique à la technologie TVAM ouvre la voie à la prochaine génération de systèmes de fabrication additive volumétrique efficaces, précis et rapides», conclut-il.