Les imprimantes 3D permettent de concevoir des équipements avancés et sur mesure à un coût accessible. Cette approche englobe aussi bien l’impression de composants spécifiques que la transformation de l’imprimante elle-même en robot de laboratoire. « Autrefois, les chercheurs construisaient eux-mêmes les dispositifs nécessaires à leurs expériences. »
Besoin de remplacer rapidement un petit crochet cassé ou de créer un gadget ultra-tendance? Une imprimante 3D est alors un outil indispensable. Même pour le laboratoire, de nombreux modèles DIY d’imprimantes 3D sont désormais disponibles : des bagues de support aux capteurs et modèles moléculaires. L’un des modèles les plus téléchargés est l’ultimate laboratory bench organiser de Vittorio Saggiomo, professeur associé au sein du groupe BioNanoTechnology de Wageningen UR. Ce système de rangement modulaire permet d’organiser efficacement tous les petits accessoires de laboratoire, tels que tubes, spatules et cuvettes. Mais pour Saggiomo, ce “hobby-printing” n’est que le point de départ. Dans son groupe de recherche, les imprimantes 3D sont utilisées pour concevoir et produire l’équipement nécessaire aux expériences. « Il s’agit souvent d’objets qui ne sont pas disponibles dans le commerce ou difficiles à se procurer », précise-t-il. Ce problème se pose dans plusieurs domaines, notamment la microfluidique.
« Au fil des dernières décennies, une grande partie du savoir-faire pratique lié aux équipements s’est perdue »
Vittoria Saggiomo, Wageningen UR
Saggiomo a mis au point une technologie ingénieuse pour créer des microcanaux à l’aide de l’impression 3D, appelée Embedded SCAffold RemovinG Open Technology ou ESCARGOT. Le “matériau sacrificiel” des canaux est imprimé en ABS sous forme de fils fins. Ceux-ci sont ensuite coulés dans du PDMS (polydiméthylsiloxane). Comme l’ABS se dissout dans l’acétone, le “matériau sacrificiel” peut être dissous, laissant apparaître un microcanal.
Les coûts
Même Stephen Hilton, professeur de chimie et de technologies habilitantes à l’University College London, utilise des imprimantes 3D pour fabriquer lui-même du matériel coûteux. Son laboratoire travaille en chimie en flux pour la synthèse de molécules complexes, un domaine dans lequel les réacteurs commerciaux représentent un investissement important. « Lorsqu’une réaction échouait, le réacteur se bloquait et devenait inutilisable, ce qui représentait à chaque fois un coût d’environ 2 000 livres sterling», explique Hilton. « En imprimant nous-mêmes le cœur du réacteur, nous avons pu réduire le coût à 50 pence, ce qui permet de poursuivre nos recherches sans contrainte budgétaire excessive. »
Hilton montre également tout ce qui est encore possible grâce aux imprimantes 3D. Son groupe a, par exemple, développé des agitateurs avec catalyseur intégré. « Lors de la réaction de polymérisation, le catalyseur est introduit dans le mélange réactionnel, ce qui l’incorpore au polymère. Ce matériau sert ensuite à imprimer différents types d’agitateurs contenant divers catalyseurs métalliques. » Dans le laboratoire de Hilton, les imprimantes 3D sont devenues indispensables : ils disposent actuellement de 35 imprimantes.
Robot d’injection
Saggiomo pousse l’innovation encore plus loin en modifiant le fonctionnement des imprimantes 3D. « Aujourd’hui, une imprimante 3D coûte environ 150 euros. Cela correspond à un robot très abordable. » Les premières étapes de cette approche ont été franchies pendant la période du Covid. « Je travaillais à domicile et je voulais construire une pompe à injection. L’imprimante que je possédais réunissait déjà tous les éléments nécessaires. Nous l’avons d’abord utilisée pour imprimer toutes les pièces, puis nous l’avons transformée en robot d’injection. »
« L’impression directe du cœur du réacteur a permis de réduire les coûts de 2 000 livres à 50 pence. »
Stephen Hilton, University College London
Depuis, Saggiomo a développé, en collaboration avec d’autres laboratoires, plusieurs dispositifs basés sur des imprimantes 3D, notamment des microscopes et un système automatisé de coloration de lames pour l’histologie. Il plaide pour une adoption plus large de ces technologies dans les laboratoires universitaires, car elles stimulent la créativité des étudiants. « Chaque étudiant devrait avoir accès à un laboratoire de prototypage avec des imprimantes 3D, des découpeuses laser et des machines CNC. Une grande partie des connaissances pratiques liées aux équipements s’est perdue au fil du temps. Les chercheurs construisaient autrefois eux-mêmes leurs instruments. Aujourd’hui, de nombreux appareils sont utilisés sans en comprendre le fonctionnement. »
Moulage par injection
Dans l’industrie, les laboratoires travaillent principalement avec des matériaux standardisés issus du moulage par injection. « Lorsqu’une grande précision dimensionnelle est requise, les imprimantes 3D ne fournissent pas toujours le niveau de précision nécessaire », explique Michael Greiner, responsable de la recherche et du développement chez Bürkle, fabricant allemand de matériel de laboratoire. La résistance mécanique représente également un facteur important. « Dans le Fused Deposition Modeling (FDM), les filaments plastiques sont déposés couche par couche et fusionnés. Selon l’orientation d’impression et l’agencement des couches, une pièce peut présenter des faiblesses directionnelles, ce qui entraîne des ruptures prématurées sous contrainte mécanique. »
En outre, la certification des produits imprimés en 3D pour des applications en industrie alimentaire ou en environnements contrôlés implique également des exigences strictes. L’ensemble de la chaîne de production doit être strictement contrôlé. Bien qu’il existe des filaments compatibles avec un usage alimentaire, le processus d’impression 3D n’est pas conçu pour ce type d’application. Les buses sont souvent en laiton et peuvent contenir du plomb. Les lubrifiants standard ne conviennent pas pour le contact alimentaire. Les pièces moulées par injection présentent des surfaces plus lisses et plus facilement contrôlables sur le plan microbiologique, notamment lors de la stérilisation par rayonnement gamma.
« Lorsqu’il s’agit de pièces précises et dimensionnellement stables, les imprimantes 3D ne fournissent souvent pas la précision requise »
Michael Greiner, Bürkle
La résistance chimique représente un autre défi. Des filaments courants comme le PLA, le PETG et l’ABS se dissolvent respectivement dans des solvants chlorés ou dans l’acétone. Pour des applications nécessitant une résistance chimique accrue, des matériaux tels que le PP ou le PVDF sont utilisés. Leur impression est possible avec des équipements plus récents, à un coût supérieur. Pour des volumes plus importants, le moulage par injection reste économiquement plus avantageux.
Chez Bürkle, l’impression 3D est principalement utilisée en interne. « Nous imprimons des pièces destinées aux tests et des prototypes de nouveaux produits », explique Greiner. « Les prototypes imprimés permettent d’évaluer rapidement les dimensions, l’ergonomie et d’effectuer des essais fonctionnels initiaux. » Hilton partage cette vision. « Il n’est pas pertinent d’imprimer des pointes de pipette. En revanche, pour des séries limitées de deux à trois cents unités, cette technologie présente un réel intérêt, y compris pour les entreprises. »
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