Impression 3D micro - nanométrique à base de silice pour capteurs optiques – 3DGLASSENS

Le projet 3D GLASSENS s’est déroulé autour de cinq paquets de travaux en interactions les uns avec les autres ( « Gestion et diffusion des résultats », « Nouvelles formulations et résines pour la polymérisation à deux photons », « Modélisation/conception revêtement métallique, miroirs et impression multi-matériaux », « Fabrication additive de capteurs optiques à micro- et nanofibres multifonctions avancés : vers le concept de laboratoire sur fibre ». « Tests de microcapteurs à fibres imprimés en 3D pour la surveillance des moteurs d'avions de nouvelle génération »). De nouvelles résines ont été développées et testées par le PhLAM. Les partenaires (PhLAM, CEA, Safran) ont ensuite proposé, modélisé, réalisé, testé, modifié, optimisé, lors des échanges entre les différents paquets de travaux, les formes de composants imprimés en 3D dans l’objectif de réaliser des capteurs optiques pour les conditions sévères de moteurs en aéronautique

Les résultats majeurs du projet 3D GLASSENS sont :
- le développement d’une nouvelle famille de résines appelée « Solmers », photopolymérisables à deux photons, basée sur une combinaison innovante du procédé sol-gel et de monomères organiques. Cette nouvelle famille permet la synthèse additive de verres de silice de qualités optiques (rugosité de surface, contrôle de l'indice de réfraction…). Dans cette nouvelle famille de résines hybrides organiques-inorganiques, les réactions se déroule à l'échelle moléculaire sans limitation liée à la taille des nanoparticules de silice comme pour celles de type Glassomer déjà étudiées dans la littérature. Après impression 3D et frittage (1100-1300 °C), des verres de haute qualité optique présentant une faible rugosité de surface (< 0,2 nm) ont été obtenus. Les analyses structurales ont confirmé la structure amorphe des verres de silice. Diverses microstructures mono- ou multi-matériaux ont été fabriquées avec succès sur des substrats de silice fondue. De plus, cette approche a été étendue à la fonctionnalisation de fibres optiques pour des applications de détection optique en environnement extrême (1000 °C).
- l’amélioration des processus d'impression 3D (paramètres d’impression : puissance laser, vitesse de balayage, développement, …, et post-traitement : déliantage et frittage) pour permettre de réduire les micro/nanobulles dans les pièces optiques et plus particulièrement d’atteindre une résolution record de 23 nm.
- le développement de nouvelles résines adaptées pour le dépôt localisé de couches métalliques après impression 3D.
- Une nouvelle méthode d’impression multi matériaux a été brevetée.
- La démonstration d’un nouveau type de capteur optique (température, pression et humidité) à base de réseaux de Bragg lamellaires.
-La démonstration de capteurs sur fibres multicœurs démontrant la possibilité de micro laboratoire de capteurs sur fibre.
- Des démonstrations de capteurs optiques à base d’interféromètre de type Fabry-Pérot, conçus pour la mesure de la température et de la pression, de taille micrométrique imprimées en bout de fibres optiques ( un brevet).
-Ces démonstrateurs ont été testés dans des environnements sévères similaires aux conditions réelles (800°C, 70 Bars) ou des phénomènes d’hystérésis sont non détectables. Au-delà de 800°C, une hystérésis très faible apparaît limitant leur utilisation à des températures allant jusqu'à 100°C sur du long terme.
- L’exploration vers d’autres matériaux à base d’alumine résistants à des températures supérieures à 1000°C.
-La dissémination des résultats à travers plusieurs écoles d’été, 10 conférences nationales et internationales, la publication de 3 articles dans de revues internationales en accès libre, la prise de 2 brevets.

Lors des tests en environnements sévères pour des températures supérieures à 800°C, bien que le capteur en température fonctionne à 1000°C, un hystérésis long terme en température est visible et augmente avec la température lorsque l’on passe de 800°C à 1000°C. L’utilisation de résines Solmers a permis d’augmenter de façon importante la stabilité des composants de silice imprimés en 3D par rapport aux résines Ormocomp présentant des hystérésis même à 180°C bien qu’elles puissent être utilisées jusqu’à 250°C à court terme. L’utilisation de la silice comme matériau de base pour des composants optiques, comme des capteurs, apparaît limité pour des températures supérieures à 800°C. On touche aussi ici la limite des fibres conventionnelles à base de silice. Ce verrou peut être dépassé si l’on change de matériau de base et utiliser des matériaux comme l’alumine ou de zircone qui montrent des tenus en température proche de 2000°C. Ce projet a permis d’initier des tests sur cette nouvelle voie qui semble faisable sur ces matériaux compliqués à mettre en forme sur le plan optique.

Comparés aux résines organiques ou organique-inorganiques à base de particules préfabriquées, les résines hybrides Solmers permettent l’impression 3D de verres denses à base de silice, dotés de propriétés optiques et structurelles améliorées. Ces résines offrent également de nouvelles perspectives pour l'impression 3D multi-matériaux, ouvrant la voie à des applications optoélectroniques. De plus, le dopage aux nanoparticules d'or permet une métallisation localisée, ouvrant la voie à des applications en microélectronique, microfluidique, plasmonique. Toutes ces démonstrations attestent de la grande polyvalence des résines Solmers, par exemple, des capteurs optiques de pression et de température ont permis de démontrer tout l’intérêt de ces nouvelles résines pour la réalisation de composants optiques dont le vieillissement et donc l’utilisation en milieu réel est très largement amélioré par rapport à l’état de l’art précèdent

La dissémination des résultats à travers plusieurs écoles d’été, 10 conférences nationales et internationales, la publication de 3 articles dans de revues internationales en accès libre, la prise de 2 brevets, par exemple:
Yves Quiquempois, Ayan Mondal, Priya Dominic, Halima El Aadad, Hicham El Hamzaoui, et al.. Impression 3D de verre (de silice) : Applications à la réalisation de composants photoniques. Ecole thématique USTV «Verre et optique«, Oct 2025, Presqu'Ile de Giens, France. ?hal-05322514?

Ayan Mondal, Halima El Aadad, Hicham El Hamzaoui, Marc Douay, Franz Enno Morel, et al.. Highly stable 3D printed microsensors at optical fiber tips. Sensors and Actuators A: Physical , 2025, 390, pp.116620. ?10.1016/j.sna.2025.116620?. ?hal-05085216?

Ayan Mondal, Halima El Aadad, Hicham El Hamzaoui, Marc Douay, Yves Quiquempois. 3D Printing of High Stable Fabry-Perot Sensors on Optical Fiber Tips for High Temperature Sensing. Optica Sensing Congress 2025, Jul 2025, Long Beach (California), United States. ?hal-05322453?

Ayan Mondal, Halima El Aadad, Hicham El Hamzaoui, Marc Douay, Yves Quiquempois. Laser-assisted additive manufacturing of silica-based glasses for photonic applications. Optica Advanced Photonics Congress 2025, Novel Optical Materials and Applications (NOMA), Jul 2025, Marseille, France. ?hal-05322438?

Two-photon 3D printed Fabry-Perot cavity combined with a femtosecond fiber Bragg grating on a single fiber for simultaneous sensing of pressure and temperature at high temperatures -Franz-Enno Morel,Guillaume Laffont, Marc Douay
Proceedings Volume 13639, 29th International Conference on Optical Fiber Sensors; 136396Z (2025) doi.org/10.1117/12.3062572

Halima El Aadad, Hicham El Hamzaoui, Yves Quiquempois, Marc Douay. Additive Manufacturing of Binary and Ternary Oxide Systems Using Two-Photon Polymerization and Low-Temperature Sintering. Nanomaterials, 2024, 14 (23), pp.1977. ?10.3390/nano14231977?. ?hal-05322404?

Yves Quiquempois, Halima El Aadad, Hicham El Hamzaoui, Ayan Mondal, Marc Douay. Impression 3D de verre à base de silice pour des applications photoniques. Journées VERRE, Nov 2024, Dijon, France. ?hal-05085331?

Halima El Aadad, Hicham El Hamzaoui, Gaëlle Brévalle-Wasilewski, Rémy Bernard, Christophe Kinowski, et al.. Solmers: Versatile hybrid resins for nanometric 3D printing of silica-based photonic components. Materials Today Advances, 2024, 22, pp.100500. ?10.1016/j.mtadv.2024.100500?. ?hal-04739174?

Halima El Aadad, Hicham El Hamzaoui, Rémy Bernard, Marc Douay, Yves Quiquempois. 20 nm Resolution 3D Printing of Doped Silica Glass Micro-objects for Optical Applications. 10th World Congress of Advanced Materials (WCAM 2024), May 2024, Osaka, Japan. ?hal-04739121?

Halima El Aadad, et al. 3D printing of doped silica glass microstructures by two-photon polymerization for photonics applications. 3D Printing & Additive Manufacturing, Oct 2023, Amsterdam, Netherlands. ?hal-04414329?

La photonique est omniprésente dans notre société dans un nombre croissant de secteurs d'activité industrielle. Les clients demandent de plus en plus de produits «personnalisés», plus intelligents, plus propres et à des prix plus bas qui, à terme, ont un impact significatif sur les lignes de production. La Photonique évolue donc vers un marché d'approvisionnement personnalisé qui nécessite une nouvelle organisation de production flexible, agile et reconfigurable.

A l’instar de l'impression 3D de métaux ou de polymères organiques, il existe un besoin urgent dans l'impression 3D de verres de silice pour composants optiques afin d'apporter à la photonique la même révolution que la fabrication additive du métal (par exemple) apporte à d'autres domaines disciplinaires. De plus, l'impression 3D de silice optique à l'échelle micro-nanométrique dynamisera les projets de recherche et les applications dans de multiples domaines : communications, médical, énergie, sécurité et surveillance des structures, défense, métrologie, circuits intégrés photoniques (PIC).

La percée proposée dans ce projet est basée sur une combinaison innovante du procédé sol-gel et de polymères pour l'impression 3D par polymérisation à deux photons. Il vise à maîtriser la fabrication 3D de micro-objets, avec une résolution micro-nanométrique, en maîtrisant les paramètres d'impression 3D et les traitements thermiques ultérieurs. Un démonstrateur proposé par Safran est prévu dans ce projet, il illustrera clairement l'intérêt de l'impression 3D de verres de silice de qualité optique. Ce démonstrateur illustrera les avancées liées à ce projet qui peuvent être utilisées pour la réalisation de nombreux autres composants photoniques.

Les objectifs du projet 3D GLASSENS sont alors : - de Développer de nouvelles formulations de sol de silice ou de silice dopée Ge ( afin de modifier localement l’indice de réfraction) avec des monomères organiques photopolymérisables (Two Photon Polymerization: TPP) qui conduiront à des verres de silice avec les qualités optiques requises (diffusion, absorption, rugosité de surface, contrôle de l'indice de réfraction…) Dans ces nouvelles encres, la réaction se déroule à l'échelle de la molécule et n'est plus limitée par la taille des nanoparticules comme pour les solutions Glassomer déjà démontrées – d’améliorer des processus d'impression 3D (puissance, temps, déliantage, frittage) - Développer de nouvelles encres pour le dépôt de couches métalliques locales. - Pour la première fois, l'impression 3D TPP haute résolution de micro-objets en verre à base de silice sera effectuée avec une résolution de 70 nm – de réaliser des fonctionnalisations directe des fibres optiques avec ces micro-objets à base de verre de silice sera réalisée - Démonstration de capteurs optiques imprimés en 3D dans un environnement pertinent: tester ces nouveaux capteurs dans des applications aéronautiques, en particulier le Health Monitoring de toute structure et / ou processus impliquant des conditions extrêmes. Cet environnement combine des températures atteignant 1000 ° C et des variations de pression jusqu'à 70 bars sous des niveaux de vibrations élevés.

3D Glassens apportera les avantages suivants pour l'impression 3D de composants photoniques en silice : gain de performance, réduction de poids, augmentation de la résistance mécanique et thermique des pièces, conception originale de nouvelles fonctions, liberté de conception, prototypage rapide, réduction des coûts de développement et de fabrication, réduction des déchets, agilité de conception et de fabrication, réalisations multi-matériaux, mise en œuvre du concept Industrie 4.0.