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Impression 3D et galvanoplastie dans le cadre d'expériences scientifiques

Andreas Osterwalder appelle son bureau le « musée ». Ce qui ressemble à une collection de petites machines est constitué de pièces imprimées en 3D puis partiellement traitées par galvanoplastie, que le scientifique a réalisées pour mener ses expériences à l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse.

Ces dispositifs expérimentaux, comme le séparateur de faisceau d'Osterwalder, réalisent des fonctions extrêmement complexes. Transformer une piste de recherche en une expérience peut facilement prendre des mois ou même des années. Une difficulté courante est de fabriquer des composants spécifiques sur mesure.

Avec l'aide d'une entreprise de galvanoplastie spécialisée dans le prototypage rapide, Osterwalder a trouvé une méthode lui permettant de réaliser rapidement et à moindre coût des pièces pour ses expériences pointues, grâce à l'impression 3D et la galvanoplastie.

Osterwalder’s office, including his “museum” of 3D-printed, partially electroplated parts and his beam splitter.
Le bureau d'Osterwalder et son « musée » de pièces imprimées en 3D et partiellement traitées par galvanoplastie, et le séparateur de faisceau.

Le sujet de recherche d'Osterwalder fait partie d'un domaine apparu récemment, appelé « chimie à basses températures ».

Des molécules ou des atomes entrant en collision provoquent des réactions chimiques. La majeure partie des réactions chimiques importantes pour les humains se passent à la température ambiante ou au-delà. Mais des collisions se produisent également à des températures beaucoup plus basses, même s'il n'y a alors pratiquement pas de mouvement.

L'objectif des recherches d'Osterwalder est d'étudier la chimie au zéro absolu, -273,15 °C, et de comprendre les aspects les plus élémentaires des interactions moléculaires se produisant dans ces conditions.

Afin d'observer les molécules et de les contrôler à une température aussi basse, les scientifiques doivent pouvoir en contrôler complètement le déplacement.

« Imaginez un jet d'eau : le faisceau de molécules se trouve dans le vide et, dans ces conditions, nous pouvons commencer à contrôler la direction dans laquelle est dirigé le jet », explique Osterwalder, qui a réalisé un séparateur de faisceau macroscopique pour cette expérience.

Première étape vers des dispositifs expérimentaux imprimés en 3D

Un chercheur peut produire un schéma technique complexe en très peu de temps, mais fabriquer le dispositif expérimental relève de l'ingénierie de précision, utilisant des méthodes traditionnelles telles que l'usinage classique ou CNC, et cette fabrication requiert généralement plusieurs mois. Osterwalder souhaitait trouver une méthode plus rapide et plus économique pour passer de l'idée à l'expérience.

Il a entendu parler de l'impression 3D pour la première fois vers 2009, mais la précision des procédés alors disponibles FDM (dépôt de filament fondu), SLA (stéréolithographie) et frittage, n'était pas suffisante ou leur coût trop élevé.

La stéréolithographie est une technologie d'impression 3D qui utilise un laser pour polymériser de la résine liquide et créer un produit fini imprimé. Plus d'informations sur le <a href="/fr/blog/guide-ultime-impression-3D-stereolithographie-sla/"procédé SLA et ses applications.

Avec l'imprimante 3D Form 2 qu'Osterwalder a acheté en 2015, à sa sortie, lui a apporté toute satisfaction. « L'impression 3D SLA est une simple question de résolution », constate Osterwalder. « C'est ce qui m'a permis de me concentrer sur la création de structures complexes, que l'imprimante va reproduire pratiquement à l'identique. »

 

Un séparateur de faisceau fabriqué en quelques jours au lieu de plusieurs mois

Le séparateur de faisceau, imprimé en 3D et traité par galvanoplastie, permet à Osterwalder de diviser en deux un faisceau de molécules en phase gazeuse, sans toucher aux molécules. La structure en métal sert à produire des champs électriques puissants, en appliquant des tensions de l'ordre de 10 000 volts. Ces champs génèrent des forces qui agissent sur les molécules. Ces dispositifs sont faciles à réaliser pour la lumière, en utilisant par exemple un verre partiellement réfléchissant, mais ils sont bien plus difficiles à réaliser lorsqu'il s'agit de molécules.

L'illustration ci-dessus présente le séparateur de faisceau d'Osterwalder, constitué d'une électrode de 35 cm de long, composée de trois segments de 15 cm, 10 cm et 10 cm, imprimés avec une résolution de 0,025 mm
L'illustration ci-dessus présente le séparateur de faisceau d'Osterwalder, constitué d'une électrode de 35 cm de long, composée de trois segments de 15 cm, 10 cm et 10 cm, imprimés avec une résolution de 0,025 mm.

Grâce à l'impression 3D et à la galvanoplastie, Osterwalder a pu réduire le temps de production de ce montage expérimental de plusieurs mois à moins d'une semaine. Osterwalder a passé quelques jours à concevoir le séparateur de faisceau et seulement 36 heures pour l'imprimer en 3D dans son laboratoire. Le placage au nickel de la structure par galvanoplastie n'a pris qu'une journée supplémentaire. Finalement, c'est l'aller-retour des pièces imprimées entre le laboratoire et l'entreprise de galvanoplastie qui a pris le plus de temps dans tout le processus.

Galvanoplastie de pièces imprimées en 3D

Les pièces galvanisées sont présentes partout, des robinets à eau aux grilles de calandre automobile. Elles sont recouvertes par électrolyse de chrome, d'argent ou d'autres métaux de grande qualité, pour améliorer l'aspect et les propriétés du matériau, comme la résistance à l'usure et la conductivité électrique.

En revanche, la galvanoplastie appliquée aux plastiques reste très difficile. Les plastiques ne conduisent généralement pas l'électricité, ce qui est fondamental dans le procédé de galvanoplastie. Un traitement chimique préalable peut résoudre ce problème, mais, jusqu'au début des années 2000, il n'a pu s'appliquer avec succès qu'à certains plastiques, dont l'ABS. Osterwalder a alors sollicité les conseils d'une entreprise suisse, Galvotec.

« J'ai voulu relever le défi d'appliquer la galvanoplastie à d'autres matériaux » raconte Rico Schuhmacher, fondateur de Galvotec. « J'ai réalisé de multiples recherches et expériences avec différents matériaux plastiques. Un an plus tard, en 2012, j'ai décidé de fonder mon entreprise de galvanoplastie appliquée aux plastiques. »

Il n'existe dans le monde que quelques entreprises de galvanoplastie, spécialisées dans le prototypage rapide, et Galvotec est la seule en Suisse. « Les pièces de M. Osterwalder devaient être partiellement recouvertes de métal. Cela signifie que certaines surfaces devaient subir l'électrolyse et d'autres non. C'est à l'aide de masques que nous y sommes parvenus », explique Schuhmacher. « Un autre défi était d'empêcher le contact entre deux surfaces. Nous avons donc dû traiter ces pièces séparément. »

<img src="https://archive-media.formlabs.com/upload/20131025_132357.jpg" alt="Des pièces imprimées en 3D et plaquées or par galvanoplastie par l'entreprise suisse Galvotec, l'une des rares entreprises dans le monde à s'être spécialisée dans le placage métallique pour la fabrication rapide de prototypes. La galvanoplastie est utilisée pour améliorer l'aspect et les propriétés des matériaux, notamment la solidité et la conductivité électrique.>
Des pièces imprimées en 3D et plaquées or par galvanoplastie par l'entreprise suisse Galvotec, l'une des rares entreprises dans le monde à s'être spécialisée dans le placage métallique pour la fabrication rapide de prototypes. La galvanoplastie est utilisée pour améliorer l'aspect et les propriétés des matériaux, notamment la solidité et la conductivité électrique.

Selon Schuhmacher, la galvanoplastie peut grandement élargir la gamme des applications de l'impression 3D. La galvanoplastie peut apporter aux pièces imprimées en 3D des propriétés de conductivité électrique, de magnétisme ou d'électromagnétisme, mais aussi renforcer leur résistance à l'usure et leur stabilité dimensionnelle. Le revêtement peut aussi être décoratif, avec toute une palette de métaux possibles, dont l'or.

Une expérimentation rapide, adaptable et reproductible

La galvanoplastie de pièces imprimées en 3D en est encore à ses débuts. Ses avantages en ingénierie sont évidents, mais Osterwalder voit également un énorme potentiel dans ses applications scientifiques.

« Nos expériences utilisent des appareils réalisés avec beaucoup de tubes et de pompes, qui sont très difficiles à fabriquer par des méthodes traditionnelles, comme l'usinage classique ou CNC. Plusieurs de ces composants peuvent être imprimées en 3D en un temps beaucoup plus court et de façon plus souple. »

Osterwalder a trouvé que la grande qualité de surface du séparateur de faisceau imprimé en 3D et traité par galvanoplastie était meilleure que celle de dispositifs du même type, obtenue par usinage et polissage.
Osterwalder a trouvé que la grande qualité de surface du séparateur de faisceau imprimé en 3D et traité par galvanoplastie était meilleure que celle de dispositifs du même type, obtenue par usinage et polissage.

Le scientifique est convaincu que l'association des techniques d'impression 3D et de la galvanoplastie peut être étendue à la réalisation d'expériences jusque-là impossibles.

Consultez l'article de recherche publié récemment par Osterwalder et Gordon pour savoir comment la galvanoplastie de pièces en plastique imprimées en 3D peut ouvrir d'innombrables pistes de recherche.

Osterwalder ne pense pas qu'à l'avenir ces avantages soient limités à son domaine de recherche spécifique. Pour lui, en fait la question n'est pas de savoir quoi faire avec un séparateur de faisceau imprimé en 3D, mais bien de savoir comment le reproduire pour d'autres expériences.

« Dans la plupart des domaines de recherche, la reproduction exacte de la même expérience est cruciale pour sa vérification et les recherches ultérieures. L'impression 3D pourrait nous permettre de réaliser un système adaptable, fait de briques comme celles du LEGO, dans lesquelles chaque pièce est imprimée en 3D et peut être reproduite », explique encore Osterwalder. Dans cette perspective, les instituts et les laboratoires de recherche du monde entier auraient alors la possibilité de mener et reproduire des expériences grâce au simple transfert d'un fichier STL.

Exploitation de l'impression 3D dans le domaine de la recherche

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