Comment la NOAA utilise les imprimantes 3D SLA et SLS pour ses recherches sur les coraux

Les preuves du changement climatique se multiplient chaque jour sur les chaînes d'information : photos de paysages polaires en train de fondre, de forêts tropicales luxuriantes réduites à l'état de friches calcinées, et de récifs coralliens desséchés. Pour lutter contre les effets du changement climatique, les chercheurs du monde entier utilisent des techniques nouvelles et innovantes. Une équipe de chercheurs de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) s'appuie sur l'impression 3D pour réaliser des pièces personnalisées et reproductibles destinées à la recherche et à la surveillance des récifs coralliens.  

En utilisant deux imprimantes stéréolithographiques (SLA) Form 2 et deux Form 3 ainsi que l'imprimante à frittage sélectif par laser (SLS) Fuse 1, Nate Formel et ses collègues de l'Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory (AOML) de la NOAA impriment des conteneurs d'échantillonnage résistants, des supports pour les capteurs et appareils expérimentaux et des composants sur mesure pour les aquariums du site. Ils y étudient la santé des coraux et cherchent des méthodes pour améliorer leur résistance aux conditions extrêmes du changement climatique et à l'augmentation de la température de l'eau.

Les coraux sont des organismes coloniaux, généralement constitués de milliers ou de centaines de milliers de polypes individuels, chacun d'entre eux étant doté d'un consortium complexe de micro-organismes qui contribuent à sa santé et à sa nutrition. Les coraux constructeurs de récifs sécrètent du carbonate de calcium, un matériau dur ressemblant à de la roche qui constitue les structures que l'on appelle communément le cadre ou l'habitat des récifs. Cet habitat et l'ensemble de l'écosystème récifal qu'il soutient sont extrêmement précieux, car ils abritent la plus forte concentration de biodiversité dans le domaine marin ; on les appelle souvent les « forêts tropicales de la mer ».  D'un point de vue anthropocentrique, ils représentent une valeur de plusieurs milliards de dollars pour l'économie américaine, en soutenant la pêche et le tourisme et en protégeant les littoraux de l'énergie des vagues et des tempêtes.

Les coraux sont essentiels à la santé de l'écosystème et de l'économie mondiale, mais leur santé se dégrade rapidement. Une étude publiée dans One Earth a révélé que depuis 1950, plus de la moitié de la population mondiale de coraux a été anéantie. Les facteurs anthropiques, ou causés par l'homme, tels que la pollution de l'eau, la destruction de l'habitat et le réchauffement de la planète dû à l'utilisation de combustibles fossiles, à l'agriculture industrielle et à la déforestation, sont la principale cause de la perte massive de la population de coraux. 

Pour lutter contre la disparition des récifs coralliens, les scientifiques et les chercheurs de la NOAA et de leurs institutions partenaires utilisent des méthodes innovantes pour étudier les coraux dans la nature, reproduire certaines conditions dans des environnements contrôlés en laboratoire, puis cultiver de nouvelles espèces de coraux capables de mieux résister aux environnements extrêmes d'aujourd'hui. Le programme sur les coraux de l'AOML où travaille M. Formel, en partenariat avec le Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies (CIMAS) de l'université de Miami, s'est tourné vers l'impression 3D pour faciliter ses recherches sur le terrain et en laboratoire. L'utilisation des imprimantes Formlabs a permis de normaliser, d'améliorer la précision et la comparabilité de leurs expériences et de faciliter le développement de nouvelles technologies.

Pour identifier les caractéristiques des coraux qui prospèrent dans un nouvel environnement marin plus extrême, M. Formel et ses collaborateurs recherchent des coraux qui survivent également dans un océan plus acide, comme à proximité des cheminées volcaniques. L'équipe a créé un collecteur automatique des fonds marins (SAS, Subsurface Automated Sampler) pour collecter des échantillons d'eau sur les récifs coralliens afin de mieux comprendre l'intensité et la variabilité des conditions dans lesquelles vivent ces coraux. La conception de ces collecteurs a été rendue publique afin que d'autres groupes à travers le monde puissent utiliser cet outil. L'utilisation de l'impression 3D a permis de maintenir le coût de l'collecteur à un niveau bas, afin de permettre d'en fabriquer un grand nombre sans devoir débloquer un budget important. L'automatisation permet un échantillonnage synchronisé qui donne aux chercheurs une idée précise de ce qui se passe dans l'eau à différents moments ou à plusieurs endroits.

« L'automatisation du prélèvement d'échantillons était une idée qui en valait la peine, car cela améliore notre base scientifique tout en facilitant notre travail », explique M. Formel. « La synchronisation de l'heure de prélèvement nous montre exactement comment la chimie de l'eau change sur les différents sites. »

Ian Enochs, responsable du programme sur les coraux de l'AOML, a entrepris de construire un collecteur d'eau peu coûteux et open source en utilisant des boîtiers en acrylique transparent imperméable à l'eau et des pièces en acier inoxydable. Le coût total des matériaux s'élevait à près de 1000 $ par pièce. Les laboratoires de recherche ont des budgets limités et, compte tenu du coût élevé des matériaux, il n'était pas réaliste de s'attendre à ce que la première version de l'collecteur soit largement utilisée. Cependant, en l'absence d'automatisation, tous les échantillons devaient être prélevés à la main, ce qui augmentait le temps et les coûts de travail sur le terrain. La collecte manuelle a également empêché la récolte d'échantillons haute fréquence, synchronisée ou nocturne. M. Enochs et M. Formel se sont tournés vers l'impression 3D pour réduire les coûts et élargir les types d'ensembles de données qu'ils pouvaient collecter. « L'impression 3D nous a permis de maintenir la complexité de la recherche que nous voulions mener, et de le faire pour une fraction du coût », a déclaré M. Formel.

Le programme sur les coraux de l'AOML a tout d'abord démarré avec la technologie d'impression 3D la plus répandue, une imprimante à dépôt de fil fondu (FDM) de bureau. Mais l'équipe s'est rapidement retrouvée dans une impasse. Les pièces FDM ne sont pas étanches : la façon dont la buse d'impression FDM dépose le matériau crée de petits espaces entre les couches, ce qui permettrait à l'eau de s'infiltrer et d'endommager les composants électroniques internes délicats et les moteurs d'échantillonnage. Après avoir entendu parler de la technologie SLA, l'équipe a commencé à utiliser une Form 2, puis une Form 3, pour créer des collecteurs étanches à partir de tuyaux en PVC et de pièces imprimées en 3D afin de remplacer les boîtiers en acrylique coûteux d'origine.

À l'intérieur du laboratoire expérimental sur les récifs (ERL, Experimental Reef Lab) sur le campus marin de l'université de Miami, M. Formel et les scientifiques du programme sur les coraux de l'AOML entretiennent plusieurs systèmes d'aquarium identiques destinés à simuler différentes conditions dans les environnements récifaux. Chacun de ces aquariums permet de contrôler une série de variables environnementales, notamment l'acidité de l'eau, la température, la lumière et le débit, entre autres.

Les capteurs et équipements scientifiques utilisés dans les aquariums d'eau de mer nécessitent des boîtiers étanches et des supports robustes et fiables pour éviter d'être endommagés par les éclaboussures d'eau et l'air salin corrosif.

La possibilité d'imprimer en 3D des boîtiers et des assemblages étanches leur a également permis d'automatiser l'entretien des aquariums expérimentaux. Grâce à des boîtiers imprimés en 3D sur le mécanisme d'alimentation résistant aux éclaboussures, l'alimentation des coraux est également automatisée pour la nuit. Cela permet d'économiser des heures de travail et d'améliorer la coordination temporelle du nourrissage des coraux.

Une autre création imprimée en 3D était un boîtier de plaque d'agitation étanche. Ils voulaient pouvoir contrôler le mélange de l'eau dans une chambre fermée à l'intérieur de leurs réservoirs. Les plaques d'agitation sont assez courantes, mais les plaques d'agitation étanches sont coûteuses. Au lieu de les acheter, l'équipe a utilisé un moteur de ventilateur d'ordinateur, l'a connecté à un fil enfermé dans un boîtier imprimé Formlabs, a fixé le couvercle avec un joint torique et une plaque acrylique, a scellé le fil avec de l'époxy et a créé sa propre plaque d'agitation étanche pour 30 $ de matériaux. La plaque d'agitation a été incorporée dans un nouveau système de chambre d'incubation open source pour l'évaluation rapide de l'état des coraux. Les coûts restent faibles et la technologie accessible, tout en standardisant la recherche, avec des procédures optimisées.

Bien qu'idéales pour créer des boîtiers étanches, les pièces imprimées SLA n'étaient toujours pas aussi robustes que ce que recherchait le programme sur les coraux de l'AOML. En outre, elles nécessitent une post-polymérisation assez longue pour pouvoir être utilisés avec des organismes marins. Le nylon fritté, quant à lui, était un matériau bien connu utilisé pour fabriquer de nombreux composants disponibles dans le commerce, car il ne pose aucun problème d'impact sur les organismes étudiés, tout en étant incroyablement résistant.

Leur première pièce en nylon était un simple boîtier pour les aquariums expérimentaux, destiné à protéger les interrupteurs métalliques de la corrosion. Pour tester la résistance de la pièce, M. Formel a pris un marteau et un burin et a constaté que, contre toute attente, la pièce imprimée avec la Fuse 1 ne se brisait pas facilement.

M. Formel nous a dit : « Il s'agit pour nous d'être aussi efficaces que possible. Nous essayons de simplifier notre travail scientifique, et l'utilisation [[d'outils plus robustes]] facilite les expériences contrôlées et reproductibles. »

M. Formel a dû justifier le coût de l'équipement auprès de l'équipe de direction de la division. La Fuse 1 avait un encombrement suffisamment réduit, une surface d'impression suffisamment grande et un prix accessible, ce qui lui permettait de remplir toutes les conditions. 

Les économies continues réalisées grâce à l'optimisation du lit d'impression et au taux de renouvellement de la poudre contribuent également à l'accessibilité globale de la Fuse 1. M. Formel remplit autant que possible les chambres de fabrication afin de faire correspondre la densité d'agencement au taux de renouvellement optimal de 30 % pour Nylon 12 Powder. Cela signifie que seulement 30 % du volume d'impression utilise de la poudre neuve, tandis que les 70 % restants réutilisent la poudre des impressions précédentes.

« Nous n'avons pas eu besoin d'acheter plus de matériau depuis l'acquisition de la machine. Le taux de recyclage est très utile, et nous visons une densité d'agencement optimale. Cela se traduit directement par un faible coût par pièce », explique M. Formel.

Les échantillons prélevés sur le terrain et les résultats obtenus dans les aquariums internes constituent une mine de données qui aideront les chercheurs à comprendre comment le corail peut survivre dans des conditions difficiles. Grâce au financement du programme de conservation des récifs coralliens de la NOAA, le programme sur les coraux de l'AOML s'efforce d'identifier les coraux les plus résistants et leurs mécanismes de résilience afin d'aider à la régénération des récifs coralliens qui constituent une part importante de l'écosystème marin et de l'économie mondiale. Mais un laboratoire ne peut pas tout faire seul. C'est pourquoi M. Formel et son équipe mettent tous les outils – y compris les conceptions et les pièces en 3D – à disposition en open source. Cela permet de partager les connaissances sur les méthodes et les résultats et d'encourager la sensibilisation.

« Nous utilisons l'expression « démocratiser la science ». Nous voulons faciliter l'utilisation des mêmes outils par tous, et ces imprimantes nous ont vraiment aidés à intensifier cet effort. Le potentiel de création de nouveaux objets auxquels personne n'a pensé auparavant s'est accru avec l'impression 3D en raison de son accessibilité. Avant ce travail, je n'avais jamais inventé de pièce, et maintenant je le fais tout le temps », explique M. Formel. 

Pour encourager ce même esprit d'invention chez les jeunes générations, NOAA AOML et l'université de Miami invitent des élèves de l'enseignement secondaire à l'enseignement supérieur à venir au laboratoire pour des sessions éducatives et des visites guidées. Ces futurs scientifiques, ingénieurs et innovateurs peuvent se familiariser avec la technologie de l'impression 3D et observer directement comment fonctionne la science de la protection et de la restauration du climat.
 

Au fur et à mesure que le changement climatique s'aggrave, de nouvelles stratégies et techniques de lutte contre ses effets seront élaborées par cette jeune génération. Tout comme M. Formel s'est habitué à inventer de nouveaux outils avec ses imprimantes Formlabs, les ingénieurs du futur devront créer des choses auxquelles personne n'a pensé auparavant. L'exposition à des imprimantes 3D accessibles, abordables et faciles à utiliser est essentielle pour les aider à y parvenir, et la NOAA ainsi qu'AOML s'engagent à y contribuer par le biais d'événements tels que ces sessions éducatives.