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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Impression 3D & électronique imprimée associées Révision : 16 novembre 2016  
Impression 3D & électronique imprimée associées
 
             Thomas GHIBAUDO et Ruoxue HE

Élèves ingénieurs 2e année
Mai 2016
Mise en ligne - Novembre 2016

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

       
  Plan  
I - Introduction
II - Impression 3D & électronique imprimée
III - Comment associer ces technologies ?
IV - Perspectives
V - Conclusion
VI - Bibliographie-Webographie
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I - Introduction

Plan

   
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            Impression 3D et électronique imprimée      
  Figure 1 - Impression 3D
et électronique imprimée
 

À l’heure où les secteurs traditionnels de l’imprimerie tentent de s’adapter tant bien que mal aux nouvelles exigences des consommateurs, deux domaines semblent plein d’avenir : l’impression 3D et l’électronique imprimée. En opposition complète avec le modèle industriel classique selon lequel un produit standardisé est fabriqué en grande quantité, ces technologies sont un gage de personnalisation, d’adaptabilité et de rapidité de production. On pourrait dès lors envisager sérieusement l’idée d’une industrie fabriquant des produits personnalisés porteurs d’une réelle valeur ajoutée, avec des applications dans des domaines aussi variés que le prototypage industriel, le secteur biomédical – avec la mise au point de prothèses intelligentes par exemple – ou encore la vente de machines aux particuliers qui pourraient confectionner eux-mêmes des produits personnalisés. Cette industrie d'un nouveau genre pourrait être encouragée par le développement d’une technologie récente associant l'impression 3D et l'électronique imprimée : l’impression 3D fonctionnalisée. Rassemblant en un seul procédé la fabrication de l’objet puis sa fonctionnalisation, elle apparaît comme une solution prometteuse.

Cependant, la relative jeunesse de l’impression 3D et de l’électronique imprimée rend leur association difficile car ces techniques ne sont pas entièrement abouties. De fait, les industriels hésitent encore sur les procédés à employer pour développer l’impression 3D fonctionnalisée. C’est pourquoi, avant d’analyser ce procédé hybride, les technologies proposées aujourd’hui en impression 3D et en électronique imprimées seront passées en revue. Ensuite, les problématiques propres à l’impression d’objets directement fonctionnalisés seront étudiées. Ces données permettront de réfléchir sur différents points : techniques industrielles actuelles de l'impression 3D fonctionnalisée, marchés et obstacles potentiels.

Quels sont les procédés et matériaux adaptés à cette nouvelle technologie ? Quels en seraient les débouchés ? Répondre à ces questions donnera d’une part, un bon aperçu de ce marché encore récent et, d’autre part, une idée de l’évolution de la technologie dans les années à venir : s’agira-t-il simplement d’un modeste progrès ? Ou bien d’une avancée majeure dans le domaine de l’impression 3D et de l’électronique ? Enfin, puisque l’impression 3D fonctionnalisée pourrait toucher un large champ d’applications, il sera indispensable d’en analyser les perspectives économiques voire politiques. En effet, au-delà de la concurrence entre les acteurs industriels, l’exploitation des terres rares – matériaux indispensables en électronique – est au cœur de conflits d’envergure.

II - Impression 3D & électronique imprimée

Plan

II-1 - Impression 3D

II-1-1 - Histoire

1986 : la première imprimante 3D est proposée par 3D Systems.

Basée sur la stéréolithographie, la SLA-2502 est destinée essentiellement au prototypage. 3D Systems est à l’origine du Standard Tessellation Language (STL), un format de fichier devenu le standard pour l’impression 3D. En 1993, une nouvelle technique – Three Dimensional Printing (3DP) – est mise au point au Massachusetts Institute of Technology (MIT). Elle est assez proche des imprimantes 2D à jet d’encre. En 1995, Z Corporation (acquise par 3D Systems en 2012) obtient du MIT le droit exclusif de ce procédé.

1996 : le marché est en pleine croissance avec une extension de l’offre.

De nouvelles machines sont proposées : Genisys de Stratasys, Actua 2100 de 3D Systems et Z402 de Z Corporation. En 1999, est réalisée pour la première fois une prothèse pour un être humain. Cette innovation initie le fort développement du marché des prothèses imprimées, probablement l’une des applications les plus importantes de la technologie.
Dans le même temps, les industriels cherchent également à doper le marché des imprimantes 3D personnelles. Pour rendre la technique accessible aux particuliers, des projets de machines pouvant s’imprimer elles-mêmes (autoréplicantes) sont lancés : RepRap en 2005 et Darwin, en 2007.

2007 : particuliers et associations s'approprient la technologie.

Émerge un phénomène dont l’ampleur ne cesse de grandir au cours des années suivantes : la création et le partage de fichiers 3D open source. Les amateurs, par le biais de FabLabs, peuvent échanger gratuitement des centaines de fichiers permettant la création de toutes sortes d’objets 3D. En 2009, ce mouvement est importé en France, notamment par le biais de Sculpteo qui propose des solutions d’impression d’objets en 3D.

Le marché de l’impression 3D poursuit son ascension fulgurante.

Selon une étude réalisée en janvier 2016 par le cabinet américain International Data Corporation, le marché mondial devrait atteindre 26.7 milliards de dollars en 2019. Si cette valeur n’est bien sûr qu’une prévision, elle témoigne néanmoins des grandes espérances fondées sur l’impression 3D qui, à n’en pas douter, se révélera comme l'une des technologies marquantes du début du 21e siècle.

     
                Graphique prévisionnel sur les avancées des applications de l’impression 3D      
  Figure 2 - Graphique prévisionnel sur les avancées des applications de l’impression 3D
[Gartner]
 
     

Parmi les applications de l’impression 3D, visibles sur ce graphique prévisionnel du cabinet Gartner, l’une des plus importantes – et l’une des plus attendues - est la fabrication de prothèses médicales (dentaires, auditives, etc.). Les autres secteurs ne sont pas en reste, comme le prototypage industriel, mais le médical est tout de même largement dominant. Ces applications sont actuellement celles qui favorisent le plus le développement de l’impression 3D.

II-1-2 - Procédés d'impression 3D

Stéréolithographie (SLA)

     
                Schéma d’un système d’impression par stéréolithographie      
  Figure 3 - Schéma d’un système d’impression par stéréolithographie
[Eyrolles]
 
     

C'est une technique d’impression 3D par photopolymérisation, la première apparue en 1986 sous le nom de stereolithography apparatus (SLA). La pièce est imprimée sur une plateforme horizontale, plongée dans un fluide plastique monomère. La photopolymérisation du monomère est provoquée par un rayon de lumière UV contrôlé par le biais de miroirs très précis montés sur des galvanomètres. Le faisceau laser parcourt la surface du bac selon un modèle 3D numérique transmis à l’imprimante et assure la photopolymérisation de la résine liquide. Ce procédé imprime couche par couche. Une fois qu’une couche de matériau est solidifiée, la plateforme s’abaisse, puis le procédé d’impression recommence pour la couche suivante.

Frittage laser (SLS)

     
                Étapes de fabrication d’un objet par frittage laser      
  Figure 4 - Étapes de fabrication d’un objet par frittage laser
[Eyrolles]
 
     

Cette technique utilise l’impression 3D par liage de poudre. Le système est composé d’un bac contenant la poudre et d’un rouleau qui vient en déposer une fine couche (0,1 mm) sur la plateforme d'impression. Un laser permet de fusionner des particules de poudre entre elles pour solidifier la première couche, puis l'opération se répète pour chaque couche. Une fois la première couche effectuée, le processus recommence jusqu’à création complète de l’objet. Il faut enfin retirer l'objet, puis le débarrasser des restes de poudre non fusionnée.

Dépôt de matière fondue (FDM)

     
                Schéma d’un système d’impression par extrusion de fil fondu      
  Figure 5 - Schéma d’un système d’impression par extrusion de fil fondu
[Eyrolles]
 
     

Créée par S. Scott Crump à la fin des années 80, le procédé est commercialisé en 1990 par Stratasys (USA), entreprise dont il est le fondateur. Le principe de fabrication est relativement simple : le polymère est porté à une température d’environ 200°C pour assurer la fusion de la matière. Le matériau passe ensuite à travers une buse d'extrusion chauffée. Il fond et se dépose sur un support par couches dont la finesse varie en fonction du matériel et des réglages (0,02 mm en moyenne). Une fois la première couche terminée, le plateau d'impression descend pour recevoir la seconde et ainsi de suite. Ainsi, la machine "slice" l’objet 3D en de nombreuses couches 2D superposées, ce qui permet la création de l’objet étape par étape.

PolyJet

     
                Schéma d’un système d’impression PolyJet      
  Figure 6 - Schéma d’un système d’impression PolyJet
[Camtecs Engineering]
 
     

C'est l'une des dernières technologies d'impression 3D. Créée en 1999 par Objet Ltd. (rachetée depuis par Stratasys), son fonctionnement est similaire à celui de l’impression jet d’encre. Plusieurs buses projettent des gouttes de photopolymère liquide qui, une fois déposées, sont immédiatement solidifiées grâce au rayonnement UV. Le procédé est répété couche par couche jusqu’à l'obtention de l’objet imprimé. Il présente l’avantage d'éviter le recours à d’autres étapes de finition ou de lissage, et de pouvoir employer plusieurs matériaux à la fois, via un stockage dans les buses d’impression, ce qui est plus complexe à réaliser dans le cas de l’extrusion de fil fondu ou de la stéréolithographie. Si la technologie se limite pour l’instant aux applications 3D, il paraît tentant d’envisager une utilisation dans une impression 3D directement fonctionnalisée : il "suffirait" de stocker les encres servant à l’impression de l’objet et celles servant à sa fonctionnalisation dans des buses séparées, et de les faire fonctionner tour à tour.

     
                     
  Vidéo 1 - PolyJet Technology
[YouTube]
 
     

II-1-3 - Comparaison des procédés

Le tableau ci-dessous présente les principales caractéristiques des procédés présentés ainsi que les entreprises qui les commercialisent ou travaillent avec ces techniques. L’extrusion de fil fondu est majoritairement utilisée par les particuliers tandis que l’on retrouve plus souvent la stéréolithographie ou le liage de poudre dans le secteur industriel. Quant à l’e-jet printing, il n’est pour l’instant commercialisé que par Stratasys.

  Caractéristiques Matériaux Avantages Inconvénients Acteurs
Stéréolithographie Solidification des photopolymères liquides par exposition à un rayon laser Photopolymères liquides Haute qualité de détail et de finition Cher, lent, faible choix de matériaux, impossible d’imprimer en couleurs, fragilité des matériaux fabriqués, donc peu adapté pour la fabrication d’objets 3D Systems (créateur de la technologie), FormLabs, B9Creator, envisionTEC
Liage de poudre Fusion de particules de poudre grâce à un rayon laser Polyamide, plastique, céramique, verre, métal Économe en matières premières, grande variété de matériaux (métal, céramique) Surface des produits rugueuse, porosité Z Corporation, Arcam
Dépôt de matière fondue Dépôts successifs d’un filament de plastique ou de métal (chauffage à plus de 185°C) PLA, ABS, thermoplastiques Grand choix de matériaux, bonne qualité d’impression, rapidité Difficulté de maîtriser le filament, moins précis que la photopolymérisation Stratasys (créateur de la technologie) 3D Systems
Polyjet Utilisation de la technologie jet d’encre, avec des encres aux propriétés particulières (séchage très rapide) Photopolymères liquides Permettrait d’intégrer plus facilement les étapes : réalisation objet + électronique imprimée dans un procédé unique ; Grande variété de matériaux utilisés Nécessité de bien maîtriser le séchage des encres Développé et commercialisé par Stratasys

Tableau 1 - Caractéristiques principales des différentes techniques d’impression 3D
[Eyrolles]

II-2 - Électronique imprimée

II-2-1 - Histoire

Il y a quinze ans, l’électronique imprimée naît de l’initiative de fabricants de composants micro-électroniques voyant dans les procédés d’impression traditionnels une opportunité unique pour accélérer considérablement la production et bien sûr, en diminuer les coûts. Cette technique récente connaît un développement fulgurant : le marché de l’électronique imprimée atteint un chiffre d’affaires record de près de 16.07 milliards de dollars US en 2013. En outre, des études prospectives laissent présager la poursuite de cette croissance durant plusieurs années encore.

C’est à la suite de développements réalisés pour l’armée que l’électronique imprimée voit le jour. En effet, la RFID, première application mise en œuvre dans le domaine de l’électronique imprimée, est créée dans un but d’identification des avions. Ce n’est que dans les années 80 que le procédé se développe véritablement pour des applications commerciales : identification du bétail, système antivol, etc. Enfin, en 1991, apparaît aux États-Unis le premier système de péage automatique grâce à un boîtier équipé de RFID.
La technologie ne cesse dès lors de progresser dans de nouvelles applications : capteur, photovoltaïque, carte imprimée, LED organique, etc.

Avec la réduction des coûts, les fabricants d’électronique voient une réelle opportunité dans ce marché naissant et cherchent à s’associer avec des imprimeurs afin d'assurer son essor. Des start-up et des grandes entreprises, issues du secteur de l’impression ou non, se tournent vers ce marché. La recherche en France s'organise autour de cinq plateformes : CANOE et ELORPrinTec à Bordeaux, LEAF à Lille, Centre Microélectronique de Provence à Gardanne et PICTIC (associée à l’entreprise Isorg) à Grenoble.

II-2-2 - Procédés, substrats et encres

Trois éléments sont essentiels dans l’impression de composants électroniques : le procédé mis en œuvre, le substrat ainsi que l'encre.

Substrat

Le premier élément est le substrat sur lequel sont imprimés les composants électroniques ainsi que les lignes conductrices à base d’encre. Celui-ci doit non seulement être résistant et flexible mais aussi lisse – afin d’assurer un bon étalement de l’encre conductrice – et stable à la température : il y a en effet des contraintes thermiques liées au recuit des encres. Le substrat doit être apte à supporter des températures de l’ordre de la centaine de degrés.

Il existe différents types de substrats : des substrats en plastique, les plus utilisés, et aussi, des substrats en papier qui pourraient devenir majoritaires en raison de leur recyclabilité et de leur impact moindre sur l’environnement. La plupart des substrats employés sont composés de polyéthylène téréphtalate (PET) et de polyéthylène naphtalate (PEN). En effet, ces polymères ont de précieuses qualités : bonnes propriétés mécaniques, grande résistance aux solvants largement employés en électronique imprimée et faible capacité à absorber l’humidité, ce qui est essentiel dans la mesure où les encres imprimées doivent rester en surface. Toutefois, d’autres substrats sont à l’étude, notamment en papier. Le papier PowerCoat en particulier est doté d'une plus grande aptitude thermique, un avantage utile au moment du frittage lorsque le substrat doit être porté à haute température pour assurer la coalescence des particules d’encres déposées. En 2015, Michael Carlisle, Business Development Manager North America chez Arjowiggins Creative Papers, affirme qu’un tel papier pourrait supporter une température de 220°C. La meilleure coalescence permettrait alors d’utiliser 25% d’encre en moins, donc de garantir une meilleure biodégradabilité du produit.

Encre

Contrairement à l’industrie graphique, l'encre employée ici fonctionnelle c’est-à-dire dédiée à l'exécution d'une fonction : être conductrice et transporter l’électricité d’un élément électronique à l’autre. Il y a trois types d’encre : organique, métallique et à base de carbone.

Encre organique

À base de polymères semi-conducteurs, elle sert le plus souvent à la création d’écrans OLED et de photodétecteurs. Les polymères sont en général le polytiophène (PEDOT:PSS), le polyaniline et le polypropyrrole.

     
                Structure chimique du PEDOT/PSS      
  Figure 7 - Structure chimique du PEDOT/PSS
[Sigma-Aldrich]
 
     

Outre leurs bonnes propriétés mécaniques et conductivité – le PEDOT:PSS a une conductivité de 500 S/m –, ces polymères sont bon marché (Ossila par exemple vend ce produit à 150 livres les 100 mL) et abondants, ce qui n’est pas le cas notamment de l’indium. Malheureusement, cette encre est extrêmement sensible aux rayonnements UV ainsi qu’à la température et à l’humidité.

Encre métallique

Elle est composée de pigments métalliques – argent, or ou encore nickel assurant la fonction conductrice – dispersés dans une résine permettant la liaison au substrat et la tenue de l’encre. Principal avantage : sa très haute conductivité (63.106 S/m pour l’argent pur, par exemple) bien qu'elle-ci soit abaissée lorsque le métal est formulé en encre. Malgré tout, la conductivité de cette encre est nettement supérieure à celle de l'encre organique.

L'autre élément très utilisé, mais de plus en plus rare, est l’indium. Son cours est d’ailleurs si élevé qu’il atteint en 2005 le prix record de 1000 dollars le kilo à l’état brut. S’il n’est plus aujourd’hui que de 240 dollars, il n’en reste pas moins peu accessible, essentiellement concentré dans les régions asiatiques. C’est pourquoi les industriels s’efforcent de trouver une alternative moins chère à ce matériau.

Encre à base de carbone

            Structure de nanotube de carbone      
  Figure 8 - Structure
de nanotube de carbone
[Futura Sciences]
 

C'est en fait un type particulier d’encre organique au développement relativement récent. Elle est composée de nanotubes de carbone qui exercent la fonction conductrice ainsi que de polymères conducteurs. Poly-Ink, par exemple, commercialise des encres à base de nanotubes de carbone. Ces derniers ont la forme d’un maillage enroulé, avec une structure tubulaire.

L’avantage d’une encre à base de nanotubes de carbone est de ne pas nécessiter d’opération de frittage pour être conductrice. Elle est également compatible avec le procédé jet d’encre. Cela en fait un matériau certes prometteur mais aussi onéreux. Une baisse du prix des nanotubes de carbone est indispensable pour garantir la viabilité de cette solution.

Autre encre à base de carbone : le graphène qui se présente sous la forme d’un maillage de cycles de six atomes de carbone. Si son utilisation est encore limitée, le graphène apparaît néanmoins comme un matériau d’avenir, moins cher que les nanotubes de carbone tout en présentant de bonnes propriétés de conductivité. La présentation en février 2016 par le britannique FlexEnable d’un smartphone à écran flexible au Mobile World Congress donne un aperçu des qualités de ce matériau.

 

 

     
                Modélisation numérique de la structure du graphène      
  Figure 9 - Modélisation numérique de la structure du graphène
[CNRS Le Journal]
 
     

II-2-3 - Procédé d'impression

Certaines méthodes d’impression sont plus adaptées à certains types d’encre ou d’application. Le tableau ci-dessous présente les encres associées au procédé, les avantages, les inconvénients et les applications usuelles du procédé en électronique imprimée.

  Encre Épaisseur sur substrat (μm) Applications Avantages Inconvénients
Jet d'encre
Vitesse = 3-60 m2/s
Organique, Métallique,
À base de carbone
0.5 - 20 OLED, LED, filtres de couleur, équipements LCD, circuits imprimés, etc. Faible coût, faible consommation d’encre, large éventail d’encres, sans contact Résolution limitée, décalage de goutte (goutte satellite)
Sérigraphie
Vitesse = 2-3 m2/s
Métallique 40 - 100 Tags RFID, systèmes électroluminescents Épaisseur importante Faible vitesse d’impression, faible résolution
Héliogravure
Vitesse = 3-60 m2/s
Métallique 0.1 - 8 Tags RFID, condensateur multicouches en céramique Vitesse d’impression élevée Choix des supports limité
Flexographie
Vitesse = 3-30 m2/s
Métallique 0.1 - 2.5 OLED, LED, photovoltaïque Vitesse d’impression élevée, faible viscosité des encres Détérioration plus rapide du cliché à cause des solvants

Tableau 2 - Caractéristiques des procédés d’impression employés en électronique imprimée
[PARC]

Le jet d’encre passe pour être l’une des meilleures solutions pour l’électronique imprimée, ce qui est d’ailleurs confirmé par la préférence des entreprises travaillant dans le secteur (Poly-Ink en particulier). Cependant, la sérigraphie reste très présente et d’autres techniques, comme l’offset ou l’héliogravure, ne sont pas à négliger en raison de la rapidité d’impression et de la qualité du rendu égale et parfois supérieure à celle du jet d’encre.

III - Comment associer ces technologies ?

Plan

Bien que l’impression 3D et l’électronique imprimée soient des techniques récentes, leur association pourrait s'avérer utile. L’impression 3D permet de créer des structures et des objets aux formes complexes, mais ne peut conférer une fonctionnalisation à l’objet. L’électronique imprimée fonctionnalise des substrats, mais uniquement en deux dimensions. On comprend aisément la portée d’une combinaison des deux procédés : il serait possible de fabriquer un objet en 3D, à la fois personnalisé grâce à l’impression 3D et fonctionnalisé grâce à l’électronique imprimée.

     
                       
  Figure 10 - Chaîne de valeur comparative
(impression 3D et fonctionnalisation séparées vs. impression 3D et fonctionnalisation associées)
 
     

Comme le montre la chaîne de valeur, impression et fonctionnalisation associées garantiraient d’une part, un temps de production plus rapide et, d’autre part, la possibilité de proposer des machines à moindre coût non seulement aux industriels mais aussi aux particuliers. D’où l’intérêt de développer l’impression 3D fonctionnalisée qui étendrait les débouchés économiques de l’impression 3D et de l’électronique imprimée.

Dans un premier temps, passons en revue les solutions techniques industrielles existantes. La technologie n’ayant pas atteint sa pleine maturité, quelques difficultés subsistent. Enfin, cette innovation pouvant être la source de problèmes environnementaux, sanitaires voire éthiques, la mise en place d'une réglementation rigoureuse semble nécessaire.

III-1 - Panorama du secteur industriel

Le secteur biomédical est le plus demandeur de cette combinaison technologique: s'il est aujourd'hui possible de fabriquer des prothèses grâce à l’impression 3D, l’étape de fonctionnalisation quant à elle n’est pas encore réalisée. Or, les applications potentielles ne manquent pas : impression d’objets directement fonctionnalisés et personnalisés, création de prothèses intelligentes, etc.

À l’heure actuelle, les principaux acteurs de l’impression 3D et de l’électronique imprimée se limitent aux applications propres à leur secteur. Cependant, quelques start-up commencent à s’approprier le concept d’objet imprimé et fonctionnalisé en simultané, à l’instar de Voxel8, Nano Dimension ou encore BotFactory. Elles ont en effet perçu le potentiel que recèle la fusion des deux procédés en un seul. C'est pourquoi elles cherchent des matériaux innovants, capables d’assumer à la fois l'impression de l’objet et la fonctionnalisation (polymère conducteur, par exemple), ou, à défaut, sur des encres conductrices à moindre coût.

Si l’impression 3D fonctionnalisée émerge, ce sont probablement ces start-up qui en deviendront les acteurs majeurs. C'est pourquoi notre étude se focalise davantage sur ces dernières et, dans une moindre mesure, sur des entreprises plus importantes n'ayant pas encore intégré toutes les potentialités de ce marché dans leurs enjeux commerciaux.

III-1-1 - Voxel8, pionnière du secteur

Les grandes sociétés telles que LG, Samsung, Arcam ou Stratasys cherchent avant tout à se développer dans les secteurs de l’électronique imprimée ou de l’impression 3D. En revanche, elles ne semblent pas (pour le moment) être intéressées par l’impression 3D fonctionnalisée. Seuls quelques laboratoires et entreprises disposent actuellement des équipements nécessaires.

Parmi ces dernières, figure Voxel8 qui lance sa première 3D Electronics Printer en 2015.

     
                3D Electronics Printer lancée par Voxel8       
  Figure 11 - 3D Electronics Printer lancée par Voxel8
[3D Print]
 
     

Créée à l’initiative du Professeur Jennifer Lewis (Harvard), l’entreprise investit en 2015 près de 12 millions de dollars pour finaliser ce projet. Les objets sont fabriqués à partir de polymères PLA déposés par extrusion de fil fondu, et d’encre conductrice à base d’argent. La conductivité de cette dernière atteint 2.106 S/m selon le site de l’entreprise qui vante sa nette supériorité sur les filaments conducteurs disponibles sur le marché. Les produits, quoique limités pour l’instant, ont des fonctionnalités impressionnantes.

     
                Mini-drone fabriqué avec l'imprimante 3D 'fonctionnelle' de Voxel8      
  Figure 12 - Mini-drone fabriqué avec la 3D Electronics Printer
[Voxel8]
 
     

Le résultat est étonnant mais soulignons quand même les limites actuelles du procédé. Par exemple, certains composants micro-électroniques, comme les microprocesseurs ou les circuits imprimés, ne sont pas fabriqués mais insérés au cours du procédé. Il est donc clair qu’une telle machine n’est pas encore apte à remplacer, ou même compléter, une chaîne de fabrication. Sa première vocation est de servir au prototypage et à la R&D.

La fabrication ne se cantonne pas à la réalisation physique mais concerne aussi la gestion du fichier .stl. Le logiciel Autodesk Project Wire 3D, associé à l’achat de la 3D Electronics Printer de Voxel8, gère à la fois la création de la structure polymère, le dépôt des composants et la création des chemins conducteurs. Vendue 9000 dollars, la machine est inaccessible aux particuliers.

     
                     
  Vidéo 2 - Voxel8: The World's First 3D Electronics Printer
[YouTube]
 
     

III-1-2 - Nano Dimension, la concurrente tournée vers l’électronique imprimée

D’autres entreprises explorent les potentialités du secteur comme l'israélienne Nano Dimension, fondée en 2012. Elle vise davantage le secteur de l’électronique imprimée en trois dimensions, mais s’apparente à Voxel8. Elle crée l'imprimante DragonFly 2020, capable d'imprimer des circuits imprimés pouvant servir au prototypage.

     
                     
  Figure 13 - Imprimante DragonFly 2020
[Nano Dimension]
 
     

L’entreprise possédant cette imprimante n’aurait pas à faire appel à un prestataire extérieur pour imaginer de nouveaux produits, et la partie R&D serait en lien direct avec la partie fabrication. Nano Dimension affirme également que les temps de production des circuits imprimés sont nettement accélérés, mais les applications se limitent, à l’instar de Voxel8, au prototypage.

En parallèle, Nano Dimension produit des encres conductrices à base de nanoparticules d’argent. En février 2016, elle annonce sa collaboration avec l’Université de Tel-Aviv pour développer une encre à base de nanoparticules de nickel. L’enjeu est de trouver le matériau rassemblant les qualités des polymères – le nickel possède de très bonnes propriétés mécaniques – et des matériaux conducteurs. En avril 2016, la société annonce un autre partenariat, avec l'américain Fathom, spécialisé dans la distribution et l’offre de services dans le secteur de l’impression 3D.

III-1-3 - Black Magic 3D, un fournisseur de polymères conducteurs

        Filament conducteur à base de graphène  
  Figure 14 - Filament conducteur
à base de graphène
[Black Magic 3D]
 

La recherche du matériau idéal n’est pas l’apanage de Nano Dimension. Un fournisseur se démarque dans ce domaine : Black Magic 3D. En plus des polymères traditionnels comme le PLA ou l’ABS, l’entreprise a créé un filament conducteur à base de graphène.

La résistivité du produit est de 0.6Ω/cm. Quant aux propriétés mécaniques, Black Magic 3D assure qu’un tel matériau pourrait être employé dans des applications nécessitant une solidité égale voire meilleure que l’ABS ou le PLA. Si ces affirmations sont fondées, cela signifierait alors que le développement d’un matériau unifiant les propriétés des encres et des polymères pourrait être réalisable d’ici quelques années. Les principales applications visées sont la fabrication de capteurs, de la plupart des objets imprimés en 3D, de LED, etc. La température recommandée pour l’extrusion du matériau est de 220°C, ce qui est raisonnable pour une exploitation industrielle.

III-1-4 - Nascent Objects, vers une appropriation du concept par les particuliers

Si les entreprises citées précédemment semblent s’intéresser davantage à fournir les industriels pour le prototypage, Nascent Objects quant à elle imagine comment des consommateurs pourraient s’approprier le concept de l’impression 3D fonctionnalisée. L’idée est de réutiliser des parties d’objets déjà fabriqués afin de les ré-exploiter dans la fabrication du nouvel objet. L'utilisateur télécharge une forme d’impression 3D accessible sur la plateforme de l’entreprise et détermine les positions des différents modules. Ensuite, le logiciel établit les chemins des lignes conductrices pour assurer le fonctionnement de l’électronique. La société ne développe pas de machine à l’usage des particuliers, mais des produits modulables, à l’image de la caméra/enceinte wifi visible sur la vidéo ci-dessous.

     
                     
  Vidéo 3 - Building Products With Nascent Objects
[YouTube]
 
     

Si cette petite entreprise se détourne du marché des industriels pour se consacrer exclusivement à celui des particuliers, il semble intéressant de l’évoquer dans la mesure où son objectif est de permettre aux consommateurs de fonctionnaliser tous types d’objets, de les modifier ou de les réutiliser à d’autres fins. Nascent Objects s’est associée avec le constructeur d’imprimantes 3D, EnvisionTec, pour rattraper son retard dans la maîtrise de cette technologie.

     
                Trois produits modulables proposés par Nascent Objects      
  Figure 15 - Trois produits modulables
[Nascent Objects]
 
     

Il est difficile de savoir si Nascent Objects, n’ayant aucune machine à proposer, parviendra à se faire une place dans le secteur. Toutefois, l’idée de fabriquer des objets multifonctionnels et modulables sera très probablement une demande des consommateurs, en recherche de nouveaux produits mais aussi de plus en plus conscients des enjeux économiques et environnementaux, donc moins prompts à consommer et à gaspiller. [Note additive : en septembre 2016, Facebook acquiert Nascent Objects].

III-2 - Obstacles techniques

En dépit des réalisations industrielles existantes, des verrous restent à lever pour pérenniser l’impression 3D fonctionnalisée. En particulier, le risque d'endommager le substrat en polymère lors du séchage de l’encre conductrice ou encore la difficulté à mélanger des encres métallique et non métallique – une opération pourtant utile en cas d'utilisation des matériaux hybrides, servant à la fois à la fabrication et à la fonctionnalisation de l’objet.

III-2-1 - Séchage de l'encre conductrice

Après avoir fabriqué le substrat par un procédé d’impression, il faut le fonctionnaliser. L’encre déposée doit être séchée afin de la fixer et d'en augmenter la conductivité – la coalescence des particules conductrices n'est effectuée qu’en portant l’encre à haute température – mais cette opération peut affecter le substrat. Des chercheurs de l’Université du Texas à El Paso ont démontré la nécessité de maîtriser les paramètres de séchage selon l’encre utilisée afin d'éviter cet effet secondaire.

Ils ont expérimenté le séchage (passage d’un laser sur la zone à sécher) d’un complexe substrat / zone encrée (encre à base d’argent) suivant des conditions de durée, de vitesse et de zone visée différentes. Les zones séchées par laser sont répertoriées sur le schéma ci-dessous.

     
                Différentes localisations pour le séchage de l’encre conductrice      
  Figure 16 - Différentes localisations pour le séchage de l’encre conductrice
[Journal of Materials Processing Technology]
 
     

Les paramètres étudiés sont la vitesse et la durée du passage du laser (scan) sur la zone à sécher ; le nombre de scans dépend de l’énergie totale à fournir qui doit toujours être égale à 5.1 J environ. L'analyse des résultats leur a permis de constater la difficulté d’obtenir un compromis. En cas de séchage à haute vitesse et de courte durée, il n’y a pas de carbonisation du substrat mais la résistance de l’encre est élevée ; en cas de séchage plus lent, la résistance de l’encre diminue mais il y a carbonisation du substrat.

Ces travaux montrent clairement que le séchage de l'encre sur un substrat polymérique doit être amélioré pour assurer la viabilité de l’impression 3D fonctionnalisée. Les paramètres adéquats dépendent du type d’encre utilisé. Étant donné le large éventail d’encres disponibles en électronique imprimée, des recherches sont encore nécessaires pour connaître les effets du séchage sur chacune d’elles.

III-2-2 - Mélange d’encres métallique et non métallique en impression 3D

Autre obstacle à la réussite de l’association électronique imprimée / impression 3D : l’emploi de deux matériaux – l'encre conductrice et l'encre à base de polymère servant à la réalisation de l’objet – aux propriétés différentes. L'encre métallique garantit une bonne conductivité ; l'encre à base de polymère apporte une bonne tenue mécanique à l’objet. Mélanger ces deux encres serait intéressant car la réalisation d’objets fonctionnalisés serait considérablement simplifiée par l’usage d’une seule encre.

                 
  Figure 17 - LED
[Science China
Technological Sciences
]
 

Toutefois, des freins existent dont le plus important est que les points de fusion de ces encres diffèrent souvent. Des chercheurs chinois ont découvert des matériaux peut-être aptes à cette réalisation. Pour cela, ils ont utilisé une encre composée d’un alliage de divers métaux dont la température de transition de l’état liquide à l’état solide est de 50-60°C. Cet alliage peut être rapidement refroidi, ce qui en fait un candidat de choix pour le couplage avec une encre à base de polymère. En l’occurrence, le polymère choisi est du caoutchouc à base de silicone (705 silicone rubber) qui dispose des propriétés mécaniques souhaitées : résistance à la traction de 0.4MPa, résistance au cisaillement de 0.5MPa et séchage facile. Les chercheurs ont ainsi fabriqué une LED trois couches à partir de cette encre hybride et de composants micro-électroniques insérés dans la structure.

Cette encre présentant à la fois des propriétés conductrices et mécaniques semble être une avancée rendant possible, à terme, une association solide de l'impression 3D et de l'électronique imprimée. Malgré tout, les chercheurs ont constaté une difficulté à assurer une bonne connexion entre l’encre conductrice et les électrodes du composant micro-électronique. Un pré-traitement a été nécessaire pour l’améliorer.
Quoi qu’il en soit, la condition sine qua none pour garantir la qualité d’une encre conductrice et à base de polymères est d’avoir des matériaux dont les points de fusion sont relativement proches et, idéalement, un peu au-dessus de la température ambiante pour favoriser la rapidité de production et de séchage de la structure.

III-3 - Réglementation et contraintes environnementales

Une dernière question essentielle concernant l’association des deux procédés est la réglementation qui devra s’adapter aux normes environnementales en vigueur, et bien sûr, à d’éventuels problèmes éthiques et sanitaires. En effet, imaginer que toute personne puisse disposer d’une machine capable d’imprimer une grande variété d’objets fonctionnels laisse entrevoir le meilleur mais aussi le pire : fabrication d’armes à feu, utilisation de matériaux potentiellement nocifs pour la santé, etc.

III-3-1 - Impression 3D

Des règles de standardisation commencent à être édictées, à l’initiative d’associations comme l’Institute of Electrical and Electronics Engineer Association (IEEE) qui a œuvré récemment pour garantir la compatibilité entre les différents équipements 3D à usage médical aux États-Unis. En parallèle, l’association est en train de mettre au point le Standard for Bio-CAD File Format for Medical Three-Dimensional (3D) Printing dont la vocation est d’uniformiser l’utilisation de fichiers servant à la réalisation de prothèses.

D’autres dangers existent en impression 3D notamment pour la santé : le rejet de styrène par les filaments de type ABS ou HIPS en cours d’impression est vingt fois supérieur à un taux normal mesuré dans l’atmosphère. Or, cette substance est classée "cancérigène possible" par l'Institut National de la recherche sur le Cancer. Une extension du domaine d'utilisation des imprimantes 3D doit par conséquent être suivie de normes sanitaires strictes, dans le souci de préserver la santé des citoyens.

III-3-2 - Électronique imprimée

L’exemple du photovoltaïque l’a bien montré, le développement de l’électronique est amorcé tant par l’attente des consommateurs que par des choix politiques. La réglementation et les exigences environnementales sont donc des facteurs essentiels pour assurer la croissance du secteur.

Au-delà des choix propres à chaque pays, une réglementation est progressivement mise en place par IPC – Association Connecting Electronics Industries®. L’association a d'ailleurs publié en 2013 un guide des bonnes pratiques pour la fabrication de produits en électronique imprimée. L’Organic Electronic Association (Oe-a) travaille également à établir des règles de stantardisation.

En ce qui concerne le packaging, la réglementation européenne est déjà en vigueur avec la directive 94/62/C et la norme EN 13427 : celle-ci s’applique aussi aux emballages intelligents.

III-3-3 - Gestion de la propriété intellectuelle

Dernier point qui sera sans doute très suivi dans le domaine de l’impression 3D fonctionnalisée : la législation liée à la gestion des droits d’auteur, une thématique déjà bien présente en impression 3D. En France, l’idée de taxer les imprimantes au motif qu’elles pourront bientôt, par simple scan, reproduire tout objet physique – donc, potentiellement, développer une nouvelle forme de contrefaçon – est un temps envisagée : en avril 2015, le président du Comité national anti-contrefaçon (CNAC) propose un amendement dans ce sens, finalement refusé.

Ces inquiétudes sont compréhensibles. Outre le fait de pouvoir scanner tout objet puis de le reproduire, le partage de fichiers .stl sur des plateformes dédiées rend possible la fabrication d’objets parfois illégaux comme les armes à feu. En 2015, la première arme à feu, Liberator, est imprimée en 3D avec une imprimante Stratasys. Une balle de 380 mm a pu être tirée sans endommager l’appareil. Les perspectives d’une telle réalisation sont peu rassurantes. C'est pourquoi une législation régulant strictement le partage des fichiers stl. doit nécessairement être mise en place.

IV - Perspectives

Plan

Après avoir étudié l’offre industrielle de l’impression 3D fonctionnalisée ainsi que ses aspects techniques et législatifs, tentons d'évaluer ses opportunités économiques.

IV-1 - Marchés de l'impression 3D fonctionnalisée

Trois marchés sont essentiellement visés : le prototypage industriel, le secteur médical et les particuliers.

     
                Applications de l'impression 3D par les entreprises      
  Figure 18 - Applications de l'impression 3D par les entreprises (Gartner, nov. 2014)
[Forbes]
 
     

Les machines servant à l’impression 3D fonctionnalisée ont pour première vocation le prototypage ou le développement de nouveaux produits R&D. Selon le cabinet Gartner, ces activités représentent 40% des raisons d’investir dans une imprimante 3D. Viennent ensuite la possibilité de créer des objets personnalisés et de réduire les frais de l’entreprise (10%) ou encore d'accroître l'efficacité dans la production (10%). Le graphique souligne la nouvelle logique de production qui devrait être mise en œuvre avec l’impression 3D fonctionnalisée, du moins à court ou moyen terme. Il ne s’agira pas tant de remplacer les chaînes de production traditionnelles par un procédé unique que d’optimiser et d’accélérer la R&D par une conception plus rapide des nouveaux produits.

Bien que l’impression 3D soit en constante évolution, elle n’est pas encore assez rapide pour envisager une fabrication de masse. Cependant, dans un rapport publié en 2013, le cabinet Roland Berger assure que les coûts de production sont appelés à baisser tandis que la capacité d’impression devrait être nettement améliorée, passant de 10 cm3/h en 2013 à 80 cm3/h en 2023.

Le secteur médical est, quant à lui, un débouché majeur de l’impression 3D. L’essentiel des applications tient dans la création de prothèses : bras, jambes voire os artificiels.

     
                Prothèses imprimées en 3D      
  Figure 19 - Prothèses imprimées en 3D
[Enabling the Future]
 
     

Ce secteur se partage actuellement entre les associations et ONG qui profitent de la démocratisation des imprimantes 3D pour donner l'accès à des prothèses à moindre coût aux personnes défavorisées géographiquement, et les hôpitaux occidentaux qui, parfois dotés des équipements adéquats, peuvent imprimer des prothèses personnalisées et plus complexes. C’est le cas de l'Istituto Nazionale Tumori Regina Elena qui a décidé de s’équiper d’une imprimante 3D afin de créer des bassins en titanium pour remplacer ceux de patients souffrant d'un cancer.

     
                Bassin en titanium imprimé en 3D      
  Figure 20 - Bassin en titanium imprimé en 3D
[3D Print]
 
     

Actuellement, les prothèses sont uniquement imprimées en 3D et non fonctionnalisées. Toutefois, de nouvelles découvertes laissent penser que l’appropriation de la technologie pourrait avoir lieu via la création des nanobots. Ces capteurs intelligents – voire ces intelligences artificielles – seraient injectés dans l’organisme humain, par exemple dans son circuit sanguin, afin de contrôler différents taux (cholestérol, sel...) et de les réguler. En 2015, des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego sont parvenus à imprimer des "poissons intelligents". Ces nanobots (120µm de long) ont été testés dans un milieu liquide à 37°C, portant en eux un inhibiteur de toxine, l’objectif visé étant d’évaluer la capacité d’un nanobot à soigner un être humain. Les nanobots testés ont pu se déplacer en autonomie dans une solution pendant près de deux heures. Les chercheurs tentent maintenant de créer des nanobots autonomes, capables de récupérer l’énergie dont ils ont besoin dans leur environnement.

Le dernier marché est celui des particuliers. Les entreprises d’impression 3D fonctionnalisée parient, à l’instar de Nascent Objects, sur un engouement des consommateurs pour une modularité des produits qui multiplierait les possibilités de création et d’exploitation des objets fonctionnalisés. Ainsi, même des entreprises non spécialistes envisagent de s’engager dans le secteur. C'est le cas de Google qui annonce en 2014 le lancement du projet de smartphone Ara dont une partie des composants pourrait être imprimée en 3D. [Note additive : en septembre 2016, Google renonce à ce projet de smartphone modulaire mais serait prête à vendre la technologie du projet Ara à ses partenaires].

Le marché de l’impression 3D fonctionnalisée pour les amateurs demeure restreint ou se limite tout au moins aux imprimantes 3D personnelles dont le prix a largement diminué ces dernières années : on compte parmi les fournisseurs d’imprimantes personnelles RepRap, FormLabs ou encore LeapFrog.

IV-2 - Évolution du marché de l’impression 3D fonctionnalisée

Si l’impression 3D fonctionnalisée est un marché appelé à se développer fortement, il dépend néanmoins de l’évolution des secteurs respectifs de l’impression 3D et de l’électronique imprimée. En effet, bien que cette technologie soit née à la suite d’initiatives de start-up, un essor à grande échelle ne pourra se faire sans les acteurs historiques.

  Création Revenu 2013 (M$) Croissance annuelle (%)
3D Systems 1986 513.4 52
Stratasys 1989 484.4 34.9
ExOne 2005 39.5 38
Voxeljet 1999 15.6 34.2
Arcam 1997 28.9 43
Materialise 1990 94.7 16.3

Tableau 3 - Principaux acteurs de l’impression 3D
[The Motley Fool]

Le marché de l’impression 3D est aujourd’hui plutôt stable car contrôlé par quelques entreprises, notamment la pionnière 3D Systems. Pour l’essentiel, ces sociétés construisent des imprimantes 3D en extrusion de fil fondu ou en stéréolithographie. À noter que Stratasys est à l’origine de la technologie Polyjet évoquée plus haut.

En ce qui concerne l’électronique imprimée, les acteurs sont nombreux et variés : multinationales du secteur de la télévision, moyennes entreprises du domaine des encres ou encore des secteurs des énergies renouvelables et des emballages intelligents.

Secteur Entreprises
OLED pour affichage (écrans TV) Samsung, LG, eMagin
OLED UDC, Dow Chemical, Novaled/Samsung
Encres conductrices DuPont, InkTec, Johnson Matthey, Heraeus Group, Creative Materials
Capteurs GSI Technologies
Équipements Fujifilm Dimatix, Ceradrop, Unijet, Optomec, Roth & Rau
Emballages intelligents T-Ink, Avery Dennison, MWV

Tableau 4 - Principaux acteurs de l’électronique imprimée

Bien entendu, la technologie ayant des applications dans des domaines porteurs comme le multimédia (écrans TV) ou la fabrication de capteurs, l’offre concurrentielle est plus large et devrait continuer à s’étendre, si l’on en croit les données économiques d’IDTechEx prévoyant l’évolution du marché jusqu’en 2022.

     
                     
  Figure 21 - Prévision de l'évolution du marché de l'électronique imprimée
[IDTechEx]
 
     

C’est principalement le secteur de l’affichage qui devrait croître dans les années à venir. Ceci n’a rien d’étonnant étant donné l’importance du marché des téléviseurs au niveau mondial. Samsung a d’ailleurs tenté de commercialiser un écran OLED en 2013 : celui-ci n’ayant pas eu le succès escompté (certainement en raison de son prix rédhibitoire de 9000$), elle a dû abandonner le marché à LG qui prévoit de fabriquer près d’un million d’écrans en 2016.

Si les chiffres présentés ci-dessus semblent garantir que l’impression 3D et l’électronique imprimée devraient s’implanter durablement, de telles données n’existent pas encore pour l’impression 3D fonctionnalisée, la technologie n’étant qu’au stade du développement. Il est donc difficile de se faire une idée précise de l’évolution économique de cette dernière. Néanmoins, ce qui est sûr, c'est que sa réussite dépendra de deux facteurs : le succès commercial des start-up développant la technologie et l’intérêt des acteurs historiques de l’impression 3D ou de l’électronique imprimée, qui pourraient y voir un nouveau facteur de croissance. Cependant, il y a un obstacle à cette unification : ces deux types d’entreprises ne visent pas les mêmes applications, comme l'illustre le diagramme de Porter ci-dessous qui décrit le positionnement des principaux acteurs industriels vis-à-vis de l’impression 3D fonctionnalisée.

     
                     
  Figure 22 - Diagramme de Porter décrivant le positionnement
des entreprises d'impression 3D fonctionnalisée
 
     

Tandis que les entreprises de l’électronique imprimée ou de l’impression 3D se concentrent sur le secteur industriel et celui des particuliers, l’impression 3D fonctionnalisée, en plus de ces secteurs, touche aussi le domaine médical (nanobots, prothèses). C’est un point positif pour cette technologie qui vise plus de débouchés que l’impression 3D ou l’électronique imprimée seules et pourrait inciter les entreprises à investir dans la filière.

Il est donc pertinent d'établir un diagnostic stratégique pour les start-up qui se positionnent sur ce nouveau marché.

Forces Faiblesses
  • Machines déjà opérationnelles et accessibles aux entreprises
  • Matériaux fonctionnels déjà disponibles (encres conductrices, filaments conducteurs, etc.)
  • Large variété de polymères disponibles pour la fabrication des objets
  • Limitation des applications
  • Lenteur de l’impression
  • Manque d’unification/uniformisation des logiciels de gestion des fichiers .stl
  • Un type d’impression (extrusion) principalement utilisé
Opportunités Menaces
  • Accélération des vitesses de fabrication des objets des imprimantes 3D
  • Développement de matériaux innovants (ex : graphène = matériau utile à la fois pour l’impression et la fonctionnalisation)
  • Appropriation de la technologie jet d’encre → Vers le Polyjet ?
  • Développement de l'open source, gestion des droits d’auteurs ?
  • Appropriation du secteur par les grandes entreprises d’impression (3D Systems, Stratasys, etc.)
  • Raréfaction des ressources destinées à l’électronique
  • Désintérêt des consommateurs

Tableau 5 - Diagnostic stratégique via la matrice SWOT

La technologie étant de création récente, les menaces ne proviennent pas d’une autre technologie plus jeune mais plutôt des acteurs historiques de l’impression 3D qui voudraient investir dans un secteur dont ils se tiennent pourtant à distance. Les start-up de l’imprimerie fonctionnalisée ne pourront de toute façon pas faire l’économie des technologies d’impression 3D que mettent en œuvre ces grands groupes.

L'autre enjeu majeur – et qui l’est pour la plupart des secteurs industriels – est l’approvisionnement en matières premières, à savoir les polymères et encres conductrices. S’il est acquis que l’indium doit être remplacé dans le futur, trouver une ressource abondante et à bas coût reste l’un des objectifs principaux des industriels. Comme l'indique la matrice SWOT, certaines entreprises sont déjà parvenues à créer des polymères conducteurs. Cependant, les matériaux apparaissant comme les plus prometteurs sont le noir de carbone et le graphène aux propriétés spectaculaires. Flexible et pourtant très résistant, hautement conducteur, le graphène fait figure de meilleur candidat pour la substitution des matériaux actuellement employés en électronique.

     
                Smartphone flexible à base de graphène      
  Figure 23 - Smartphone flexible à base de graphène
[FlexEnable]
 
     

La principale faiblesse des entreprises d’impression 3D fonctionnalisée tient essentiellement dans la relative lenteur de l’impression qui ne permet pas une fabrication à grande échelle. Toutefois, l’accélération de l’impression devrait permettre d’imprimer près de 80 cm3/h d’ici 2020, ce qui représente un volume d’impression correct mais interdisant néanmoins toute possibilité de production de masse.

Autre point faible : ces sociétés se concentrent essentiellement sur un seul procédé d’impression, l’extrusion de fil fondu. Bien entendu, il semble trop complexe d’envisager une fonctionnalisation directe avec un procédé comme la stéréolithographie, mais une technologie comme le Polyjet paraît adaptée à ce type de réalisation. Même si elle n’est utilisée pour le moment qu’en vue de l’impression d’objets 3D, elle pourrait être tout à fait apte à intégrer directement l’aspect fonctionnalisation (via l’utilisation d’encres conductrices) : cette opportunité reste à explorer au niveau industriel.

IV-3 - Scénarii prospectifs

Après avoir évoqué les acteurs ainsi que les forces et faiblesses des start-up ayant récemment développé la technologie, quelques problématiques majeures apparaissent, à partir desquelles trois scénarii prennent forme.

IV-3-1 - Scénario 1 - 2025-2030 : l'impression 3D fonctionnalisée révolutionne notre mode de vie

Hypothèses

Après avoir lancé avec succès son smartphone modulable Ara fin 2016, Google ouvre la voie au concept de Nascent Objects qui développe sa gamme de produits modulables. Les consommateurs, friands de nouveautés, se lassent puis se détournent du marketing traditionnel où un produit, certes très puissant, n’est lancé que tous les six mois, et n’offre que peu de possibilités de compatibilité ou d’adaptabilité à d’autres équipements (cf. Apple, dont les ventes de l’IPhone viennent de chuter pour la première fois depuis 2007).

Les start-up de l’impression 3D fonctionnalisée (Voxel8 en particulier) démocratisent l’accès à leurs imprimantes. Les consommateurs peuvent alors créer, modifier ou améliorer les objets du quotidien : smartphone, enceinte wifi, caméra, tous types de jouets (drone, voiture télécommandée, etc.), appareil photo. Une ou plusieurs plateformes de partage des fichiers de fabrication se développent : grâce à Pinshape, MyMiniFactory ou encore CGTrader, il est possible de fabriquer un objet fonctionnel via le téléchargement (gratuit ou payant) de fichiers source. Les grandes entreprises rejoignent alors le monde des fablabs/amateurs/start-up par l’intermédiaire de ces plateformes.

Sur les plans médical et industriel, à la suite des travaux sur les nanobots poissons intelligents et des prédictions favorables quant à leur avenir, plusieurs entreprises d’impression 3D fonctionnalisée se lancent sur ce marché des nanobots capables d’agir dans notre système sanguin : le secteur médical prend un nouveau tournant. De façon générale, l'impression 3D fonctionnalisée accompagne le développement fulgurant de l’électronique et de l’intelligence artificielle. L’étendue des possibilités est immense et difficile à prévoir.

Probabilité de réalisation : 70 %

IV-3-2 - Scénario 2 - 2020-2025 : l'impression 3D fonctionnalisée ne séduit pas le grand public

Hypothèses

En dépit de l'aspect spectaculaire des produits fonctionnalisés présentés par Voxel8 et d’autres entreprises, la difficulté d’approvisionnement des machines en matériaux (encre et polymère), la lenteur de l’impression, la limitation des modèles proposés et la complexité des logiciels de gestion des objets rendent les imprimantes 3D fonctionnalisées peu accessibles au grand public.

Certaines start-up sont rachetées par des grands groupes qui privilégient le prototypage industriel. C’est un succès qui éloigne pour de nombreuses années le monde industriel du grand public. L’électronique imprimée s’affirme comme une technologie capable d’assurer une fabrication à grande échelle, contrairement à l’impression 3D fonctionnalisée. Les entreprises continuent alors à investir les procédés d’impression (flexographie, offset, jet d’encre, etc.) adaptés à la production de masse.

Quelques échecs commerciaux et le développement plus long que prévu des technologies d’impression repoussent l’émergence du scénario 1 vers l’horizon 2035-2040.

Probabilité de réalisation : 50 %

IV-3-3 - Scénario 3 - 2040-2050 : la Chine s'impose sur le marché, importantes tensions politiques

Hypothèses

Dans un premier temps, le graphène, réunissant de bonnes propriétés mécaniques et conductrices, apparaît comme la matière première garantissant l’avenir de l’électronique imprimée et de l’impression 3D. Le succès des smartphones fabriqués à base de graphène au congrès mondial de la téléphonie mobile – ou encore celui du chinois Guangzhou OED Technologies qui affirme en mai 2016 avoir créé le premier e-paper à base de graphène – renforce la conviction des industriels qui se décident à investir dans un procédé simplifié d’impression 3D fonctionnalisée – étant donné que le graphène, matériau conducteur, peut servir à la fois à l’impression de l’objet et à sa fonctionnalisation).

L’indium est progressivement abandonné ainsi que les encres conductrices à base d’argent et autres polymères conducteurs (PLA, ABS, etc.). La consommation mondiale de graphite, qui permet de fabriquer du graphène, s’élève à près d’un million de tonnes par an et ne cesse d’augmenter. Cependant, l’essentiel des réserves se trouvent en Chine (80 %). Les autres nations, afin de rester indépendantes du point de vue des ressources, cherchent des alternatives. Hélas, malgré les investissements importants réalisés (un milliard d’euros sur dix ans pour l’Europe, dans le cadre du projet Graphene Flagship), la synthétisation du graphène s’avère infructueuse sur le plan industriel. Dans le même temps, la Chine exploite ses propres ressources et parvient à écarter l’un des plus importants producteurs de graphite, l’américain GrafTech International, au profit d’entreprises nationales.

Les industriels se retrouvent face à une alternative : les entreprises occidentales parviennent à collaborer avec les exploitants de graphite ou bien la Chine cherche à faire valoir son monopole. Dans les deux cas, le géant de l'Est asiatique s’impose comme le premier acteur du marché de l’impression 3D fonctionnalisée. Les pays occidentaux et le Japon tentent de lutter contre cette hégémonie par le recours aux organismes internationaux : l’Organisation Mondiale du Commerce (OMC) a déjà condamné la Chine en 2014 pour sa politique protectionniste en matière de terres rares. De sérieux conflits politiques sont à prévoir.

Probabilité de réalisation : 60 %

V - Conclusion

Plan

Véritable révolution ou simple optimisation ? Progrès ou solution allant à l’encontre de la protection de l’environnement ? Il est encore difficile de répondre à ces questions tant la création de l'impression 3D fonctionnalisée est récente. L’offre industrielle, encore mal définie, montre que plusieurs voies se profilent : accélération et simplification du travail de R&D en industrie, fabrication de matériel médical spécialement conçu pour les patients, ou encore personnalisation d’objets fonctionnalisés pour les particuliers.

Cette technologie pouvant potentiellement être associée à des secteurs industriels clefs (électronique et énergie notamment), il est au moins possible d’affirmer que son développement dépendra fortement de l’évolution de ces derniers. Il est envisageable qu’une éventuelle saturation du marché, ou bien la complexité de l’exploitation des matières premières, entraîne un ralentissement de la productio. Dans ce cas, ce nouveau procédé sera probablement voué à un fort ralentissement.

Toutefois, l’impression 3D fonctionnalisée, plus qu’une simple optimisation "gadget", se révélera peut-être comme une technologie ayant une réelle valeur ajoutée, capable de produire rapidement des objets personnalisés. Le modèle classique de la production standard de masse finirait alors par laisser place à un modèle où chacun choisit son produit personnalisé. Au-delà du secteur médical où une prothèse intelligente aux dimensions adaptée à l'organisme serait accessible à tout un chacun, ne pourrait-on pas imaginer un monde où smartphones, équipement audio, multimédia et la plupart des objets du quotidien seraient conçus, personnalisés puis imprimés directement, chez soi, grâce à une imprimante fonctionnalisée ? Difficile de savoir aujourd'hui si les consommateurs seront réceptifs à ce type d'offre mais, en tout cas, le marché potentiel est immense.

Quoi qu’il en soit, l’impression 3D fonctionnalisée est une technologie fascinante, non seulement du fait de sa complexité technique, mais aussi en raison des nombreux enjeux – économiques, politiques, environnementaux ou culturels – qu’elle suscite. En effet, notre manière de consommer, et de vivre, sera sans doute largement transformée (pour le meilleur ?) par cette innovation que l’on pourrait qualifier, à la manière de l’impression 3D, de (possible) troisième Révolution industrielle. L'avenir dira si cette prédiction est exacte.

VVI - Bibliographie - Webographie

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