Aujourd’hui encore, la plupart des objets industriels sont fabriqués selon un principe hérité de la production en série : une succession de nombreuses étapes de fabrication, d’assemblage, de traitement et de finition. En particulier, pour les pièces et dispositifs comprenant plusieurs matériaux, chaque matériau est travaillé ou déposé selon un procédé propre avant d’être assemblé, empilé, architecturé, au prix d’une consommation importante d’énergie, d’eau, de produits chimiques et de matières premières.
Le prototype développé au CEMEF propose un changement de paradigme. L’ambition n’est plus seulement d’imprimer une pièce en trois dimensions, mais de fabriquer directement un objet fonctionnel, capable d’intégrer plusieurs matériaux au sein d’une même architecture : métaux, céramiques, polymères, conducteurs, semi-conducteurs et matériaux isolants, peuvent alors être combinés au cours d’un schéma unique de fabrication.
Cette évolution ouvre des possibilités considérables. Un même objet pourrait intégrer lors de sa fabrication, simultanément sa structure mécanique, ses connexions électriques, ses capteurs, ses fonctions électroniques diverses, des antennes, etc. sans nécessiter d’étapes d’assemblage ultérieures.
L’enjeu dépasse largement l’impression 3D telle qu’elle est aujourd’hui connue du grand public. Il s’agit de concevoir des architectures multi-matériaux entièrement nouvelles, dans lesquelles les différentes fonctions sont directement intégrées au cœur de la matière.
Design 3D d’objet associant plusieurs matériaux dans le volume
Pour rendre cette approche possible, les chercheurs s’appuient sur un outil encore peu utilisé dans la fabrication additive : le laser femtoseconde. Une femtoseconde représente un millionième de milliardième de seconde. À cette échelle de temps extrêmement courte, le laser délivre une puissance considérable pendant un infime instant. Cette particularité modifie profondément la manière dont la matière absorbe l’énergie et rend possible la fusion de tout matériau, et ceci sans avoir à changer la longueur d’onde du laser (et donc sans changer de source laser), mais à la condition que l’apport d’énergie soit ultra-cadencé (MHz et plus).
Ainsi, et contrairement aux lasers continus utilisés dans de nombreux procédés industriels dont les performances dépendent du choix de la longueur d’onde de la source laser, vis-à-vis du matériau traité, le laser femtoseconde peut agir sur des matériaux très différents avec la même source laser. Organiques ou inorganiques, conducteurs, isolants ou semi-conducteurs peuvent ainsi être transformés sur un même équipement, une seule station de travail donc avec une tête d’impression permettant l’amenée de plusieurs matériaux.
Au CEMEF, cette technologie est associée à un prototype original baptisé FLAM (Filament FemtoLaser Additive Manufacturing). Son principe consiste à alimenter la zone d’impression avec des filaments très fortement chargés en particules fonctionnelles, tandis qu’un système optique spécialement développé concentre le faisceau laser tout autour du matériau, afin de contrôler très précisément sa fusion et sa solidification. Cette preuve de concept, conçue en partenariat avec l’entreprise française Cailabs, constitue aujourd’hui l’un des principaux défis technologiques : l’émergence de systèmes optiques adaptés aux fortes contraintes des faisceaux laser femtoseconde.
La nouvelle tête d’impression combine un système optique déployant un faisceau annulaire convergent, avec une amenée du matériau (filament inconel sur la photo) grâce aussi à une optique percée en son milieu.
Au-delà de la technologie elle-même, cette action esquisse une vision plus globale de l’industrie du futur. La recherche imagine une évolution progressive des usines vers des stations de fabrication capables de réaliser, à elles seules, ce qui nécessite aujourd’hui une succession de nombreuses machines et postes de travail. Cette approche permettrait de produire des objets complexes sur une unique plateforme de fabrication, en passant directement du modèle numérique à la pièce finale.
Cette simplification des procédés présente plusieurs avantages majeurs. En réduisant le nombre d’étapes de fabrication, elle limite les transports intermédiaires, les opérations d’assemblage et les pertes de matière. Elle offre également une très grande liberté de conception : il devient possible de fabriquer directement des formes tridimensionnelles complexes, de réparer localement une pièce existante ou encore d’intégrer des fonctions électroniques, à l’intérieur même d’une structure mécanique.
Ces travaux illustrent cette ambition à travers de nombreuses applications potentielles : circuits imprimés nouvelle génération, composites métal-céramique, capteurs, actionneurs, structures intelligentes, substrats pour l’électronique de puissance ou encore métastructures aux propriétés inédites.
Présentation de l’activité-action FLAM à l’occasion du Mines Paris Research Day 2026. De gauche à droite : El Mouhoub Mouhoud, président de l’Université PSL, Jean-Pierre Farandou, ministre du Travail et des Solidarités, Godefroy Beauvallet, directeur général de Mines Paris – PSL, et Karim Inal, professeur au Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF) de Mines Paris – PSL.
L’un des aspects les plus remarquables de cette action réside dans sa dimension environnementale. La fabrication additive permet déjà de limiter les pertes de matière en construisant uniquement la quantité nécessaire. L’approche adoptée va plus loin en cherchant à supprimer plusieurs procédés particulièrement consommateurs de ressources.
Le prototype développé au CEMEF fonctionne sans eau et sans production de rebuts. Il est actuellement déployé sur table optique, avec une tête d’impression fixe et un porte-échantillon mobile. La miniaturisation de la preuve de concept faite avec Cailabs va permettre une autre variante : une tête d’impression mobile placée sur un robot Yaskawa du CEMEF, robot capable de réaliser des mouvements complexes. Et là encore, c’est une entreprise française, GLOphotonics, qui fournira le câble optique flexible spécial reliant la tête mobile à la source laser femtoseconde ultracadencée du CEMEF.
À terme, il pourrait également permettre d’utiliser directement certaines matières premières issues du recyclage, par exemple des sels métalliques issus de l’usine WeeeCycling en France, pour les transformer en métal au cours du procédé laser d’impression, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’économie circulaire.
Les enjeux sont particulièrement visibles dans le domaine des circuits imprimés, omniprésents dans tous les équipements électroniques. Leur fabrication conventionnelle mobilise des quantités considérables de ressources : environ 1,09 tonne d’eau est consommée pour produire un seul mètre carré de circuit imprimé, tandis que 740 kg d’effluents toxiques doivent être traités. Chaque mètre carré génère également près de 283 kg équivalent CO₂, auxquels s’ajoutent des volumes importants de déchets chimiques et des pertes annuelles de plus de 70 000 tonnes de cuivre dans les bains de gravure à l’échelle mondiale.
En supprimant les étapes de gravure chimique au profit d’une fabrication additive directe, cette approche pourrait contribuer à réduire fortement ces impacts environnementaux tout en renforçant la souveraineté européenne sur une filière aujourd’hui particulièrement stratégique.
Derrière cette démonstration technologique se cache un important travail de recherche fondamentale. Avant d’imaginer une industrialisation, les chercheurs doivent comprendre avec précision ce qui se produit lorsque les impulsions ultracourtes et ultracadencées du laser interagissent avec la matière, lors du processus de construction 3D. Gradient de température, dynamique du bain de fusion, solidification, croissance des cristaux ou apparition de contraintes internes : autant de phénomènes qui déterminent les propriétés finales des architectures multi-matériaux fabriquées. Cette phase est une étape clé pour optimiser la vitesse d’impression et augmenter la taille du bain de fusion.
Le développement du prototype FLAM s’appuie sur les compétences de plusieurs équipes du CEMEF (modélisations multi-échelles et caractérisations expérimentales aux échelles fines de la matière, production de filaments, tests et essais) regroupées dans un axe de recherche transverse du laboratoire. Cette démarche consolide le déploiement du nouveau procédé et, in fine, l’obtention de pièces aux propriétés fonctionnelles et durables parfaitement adaptées aux usages visés.
Présenté à l’occasion du Mines Paris Research Day 2026, cette action illustre pleinement la vocation de la recherche partenariale portée par Mines Paris – PSL : transformer des avancées scientifiques de pointe en solutions concrètes répondant aux grands défis industriels, environnementaux et technologiques.
Pour relever un défi aussi ambitieux, le CEMEF s’appuie sur un réseau de partenaires qui associe recherche publique, entreprises innovantes et grands groupes industriels. Aux côtés du CEMEF, Chimie ParisTech – PSL et le CNRS apportent leurs expertises scientifiques, tandis que des entreprises comme Cirly, SynergieCAD, GE HealthCare, L’Oréal Recherche & Innovation, Safran, Thales et Naval Group contribuent à orienter les développements vers des applications répondant à des besoins industriels concrets. De plus, un rapprochement avec des équipementiers de fabrication additive laser continu est en cours, pour envisager une nouvelle offre, femtoseconde. Cette diversité de partenaires reflète le potentiel transversal de la technologie, dont les perspectives concernent aussi bien l’électronique, la santé, les transports, la défense que les industries manufacturières.
À travers cette action, le CEMEF propose bien plus qu’une nouvelle technique de fabrication : il esquisse une nouvelle manière de concevoir les usines, où performance industrielle, sobriété environnementale et liberté de conception avancent désormais de concert. Une ambition qui illustre pleinement l’esprit du Mines Paris Research Day, véritable vitrine des collaborations qui accélèrent le passage de la recherche aux innovations de demain.
Dans un contexte marqué par l’accélération de la transition énergétique, la montée en puissance de l’intelligence artificielle et les enjeux croissant...