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Interview : quand l’institut Jean Lamour du CNRS ajoute une 4ème dimension à l’impression 3D

Présente déjà dans de nombreux secteurs dont elle impacte une part grandissante des pratiques, l’impression 3D laisse entrevoir des capacités bien plus disruptives encore pour notre industrie et notre quotidien dans les années à venir. L’ajout d’une 4ème dimension, celle de la temporalité, avec des objets capables d’évoluer au fil du temps en fonction de stimulis extérieurs (humidité, chaleur, lumière…) promet de révolutionner totalement le monde des matériaux que nous connaissons aujourd’hui.

Des vêtements qui se modifient selon la météo, des carrosseries autoréparantes, ou encore des meubles qui se montent tout seul, tel est le futur qu’on se prête à rêver avec cette technologie. En attendant l’avènement de ce segment encore balbutiant, Primante3D a voulu partager avec vous une innovation inédite issue de l’institut Jean Lamour du CNRS : une imprimante capable de fabriquer sans post-traitement des objets aimantés ! Ingénieur de recherche au CNRS, Samuel Kenzari nous explique les enjeux de cette découverte et comment il a été possible de lever ce verrou technologique.

« nous sommes toujours émerveillés de voir comment un objet magnéto-actif s’anime à distance lorsqu’il est soumis à un stimulus magnétique externe »

Samuel Kenzari

Samuel Kenzari

Bonjour Samuel, racontez-nous votre parcours avant votre arrivée au CNRS.

Bonjour Alexandre, mon parcours a d’abord été orienté vers les matériaux et les techniques de fonderie, où j’ai passé beaucoup d’années à apprendre à fabriquer une pièce moulée, tout en contrôlant ses propriétés finales selon les matériaux utilisés. J’ai ensuite voulu approfondir différents aspects de l’élaboration et la caractérisation de matériaux exotiques, ce qui m’a amené jusqu’au doctorat Sciences et Ingénierie des matériaux pour me spécialiser dans la métallurgie des alliages métalliques complexes et des composites à base de quasicristaux. J’ai ensuite fait 5 années postdoctorales avec l’espoir de pouvoir être recruté au CNRS dans un laboratoire qui me permettrait de développer mes propres projets.

Vous rappelez-vous de vos premières expériences avec l’impression 3D ?

Oui, lorsque j’étais post-doc juste après ma thèse fin 2006, où j’ai pris en charge une collaboration sur plusieurs années avec un industriel spécialisé dans la fabrication additive de pièces techniques, en particulier pour le secteur automobile (Ateliers CINI SA). Cette première expérience a été un véritable déclic et m’a ouvert les yeux sur le domaine de la fabrication additive que je n’avais jamais étudié au cours de mes nombreuses années d’étude ! Cette collaboration se traduit aujourd’hui par l’exploitation par les Ateliers CINI de nos brevets qui a débuté courant 2010 avec une première gamme de matériaux pour les technologies de frittage laser sélectif (sous la marque PAQc®), puis s’est poursuivie en 2012 avec une seconde et s’achèvera avec une troisième gamme en 2022.

Aimant rond imprimé selon le procédé mis au point par l'Institut Jean Lamour

Aimant rond imprimé selon le procédé mis au point par l’Institut Jean Lamour

Présentez-nous l’Institut Jean-Lamour et ses missions. Quelle place l’impression 3D occupe-t-elle dans ses recherches ?

L’Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l’Université de Lorraine. Il est rattaché à l’Institut de Chimie du CNRS. Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique. L’IJL compte 183 chercheurs et enseignants-chercheurs, 91 personnels ingénieurs, techniciens, administratifs, 150 doctorants et 25 post-doctorants, et accueille environ 80 stagiaires par an. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays. Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est le bâtiment neuf situé sur le campus Artem à Nancy.

Il y a quelques équipes du laboratoire qui travaillent régulièrement sur des sujets variés liés à la fabrication additive (pour le vivant, pour l’aéronautique, etc.). Pour ce qui me concerne, je suis responsable de l’Équipe de Recherche Technologique MPA « Matériaux et Procédés Additifs », créée en 2018. Son activité est complètement dédiée à la mise au point de nouveaux matériaux pour les techniques d’impression 3D et s’inscrit parfaitement dans les thématiques prioritaires et stratégiques aussi bien régionales que nationales et internationales.

Pour développer la thématique MPA, nous avons créé une Plateforme d’Élaboration Additive (Plateforme PEA), capable d’élaborer/mettre en forme une grande variété de matériaux par ajout successif de matière. Cette plate-forme a été finalisée fin 2020 et sera inaugurée en 2022. Elle comporte 4 zones distinctes : (1) Préparation, (2) Frittage laser Polymère SLS, (3) Fusion laser Métallique SLM, (4) Extrusion/dépôt. Chaque zone est totalement sécurisée, avec des SAS, où l’ensemble est placé en dépression contrôlée, climatisée et filtrée. PEA offre désormais la possibilité d’être au plus proche des niveaux de maturités technologiques requis pour faciliter la valorisation et le transfert vers les applications industrielles, en intégrant l’ensemble de la chaîne Élaboration/Fabrication/Recyclage.

« L’impression 3D d’aimants était une idée que je voulais développer depuis 2016 »

Thomas Hauet (à gauche) et Samuel Kenzari devant une imprimante 3D modifiée capable d'imprimer des aimants

Thomas Hauet (à gauche) et Samuel Kenzari devant une imprimante 3D modifiée capable d’imprimer des aimants (crédits photo CNRS)

Il y a quelques temps vous avez dévoilé une nouvelle technologie d’impression 3D étonnante permettant la fabrication d’aimants permanents. Dites-nous en plus sur la genèse de cette invention et ses protagonistes.

L’impression 3D d’aimants était une idée que je voulais développer depuis 2016. Plusieurs verrous technologiques rendaient difficilement envisageable un transfert technologique à court terme et à bas coût. N’étant pas spécialiste des matériaux magnétiques, je me suis naturellement rapproché de mon collègue Thomas Hauet, responsable du centre de compétences Magnétisme et Cryogénie de l’IJL, et nous avons décidé d’avancer ensemble sur ce sujet dans le cadre d’un stage. Nous avons recruté Quentin Perrin pour effectuer son stage Ingénieur, ce qui a permis de développer les premières preuves de concept début 2019.

Que pouvez-vous nous dire sur son fonctionnement ?

La difficulté a été de rendre simple la possibilité d’imprimer un aimant permanent en 3D. Le principe consiste à pouvoir utiliser une imprimante FDM qui se rapproche le plus possible du fonctionnement d’une machine standard, avec la faculté d’imprimer avec l’ensemble des bobines commerciales tout en offrant cette nouvelle fonction d’aimantation d’un objet à partir d’un filament spécifique. Il s’agit d’une brique permettant d’ouvrir facilement de nouvelles possibilités 4D pour les utilisateurs.Le transfert technologique de nos travaux a été réalisé avec succès auprès de l’entreprise BBFil qui travaille aujourd’hui à la simplification du process, son industrialisation et sa future offre commerciale.

« C’est du magnétisme mais c’est presque magique ! »

En tant que technologie d’impression 4D, votre solution ouvre la voie à des applications passionnantes. Citez-nous en quelques-unes.

Nous travaillons depuis 2 années sur cette technologie et nous sommes toujours émerveillés de voir comment un objet magnéto-actif s’anime à distance lorsqu’il est soumis à un stimulus magnétique externe. C’est du magnétisme mais c’est presque magique ! L’intégration d’une fonction magnétique au sein même de l’objet imprimé ouvre effectivement la voie pour intégrer directement des actionneurs et/ou des capteurs dans un dispositif 4D complexe, ce qui est déjà un bon début. On peut aussi imaginer aller plus loin, comme les moteurs…

Aimants personnalisés imprimés en 3D

Aimants personnalisés imprimés en 3D (crédits photo CNRS)

À qui s’adresse votre solution et sous quelle forme va-t-elle être commercialisée ?

Sans vouloir répondre à la place de l’entreprise BBFil, elle devrait commercialiser une version grand public sous la forme d’une imprimante FDM et d’une bobine magnétique. L’imprimante fonctionnera avec toutes les bobines du marché, mais le fil magnétique ne fonctionnera qu’avec l’imprimante dédiée pour faire un aimant. Cette première solution s’adressera probablement en premier aux Ecoles, aux Fablabs, aux Laboratoires, mais il n’est pas exclu qu’elle attire aussi les particuliers initiés. Ainsi, toutes celles et ceux qui s’intéressent à l’impression 3D/4D sont potentiellement concernés pour faire facilement des plasto-aimants personnalisés.

« La fabrication additive ne sera pas épargnée dans les années à venir… »

Quels sont vos autres travaux menés sur la fabrication additive dont vous pourriez nous parler ?

Je peux vous parler d’un projet en cours pour lutter contre la contrefaçon. La fabrication additive ne sera pas épargnée dans les années à venir et les technologies de plus en plus performantes donneront très certainement accès à la reproduction d’œuvres de l’esprit, de pièces techniques, etc. Ce fléau mondial touche de nombreux secteurs applicatifs et je tenais à inventer des matériaux pour l’impression 3D qui ne pouvaient pas être copiés afin de sécuriser un objet.

Les matériaux développés, appelés Signature-SAM (Signature et Authentification des Matériaux), sont caractérisés par leurs signatures cristallographiques uniques qui reposent sur des combinaisons d’alliages métalliques complexes dont les compositions ne peuvent pas être déchiffrées après leur élaboration, ce qui rend l’ingénierie inverse impossible. Aucune méthode ne permet aujourd’hui de déterminer précisément leur composition pour les reproduire. Les matériaux peuvent être adaptés et mis en forme par beaucoup de technologies (Fabrication additive, Moulage, etc.). Finalement, l’utilisation de ces matériaux peut être envisagée dans tous les secteurs applicatifs victimes de la contrefaçon. Je suis actuellement à l’Incubateur Lorrain pour affiner la stratégie de valorisation de ce projet qui s’oriente vers la création d’une Startup en 2022.

Alexandre Moussion