Les multiples facettes de l'impression fonctionnelle

L'impression fonctionnelle et industrielle sous-entend un procédé qui est intégré dans un processus de fabrication industrielle. L'impression n'est alors pas une finalité en soi, mais une étape de la chaîne de fabrication pour obtenir un produit fini. Peter Buttiens, CEO d'ESMA, l'association européenne des fabricants d'impressions spécialisés, définit l'impression industrielle comme "l'impression d'un élément, ou une étape de la production, d'un tout plus important". Grâce aux progrès technologiques, l'impression fonctionnelle touche une variété croissante de secteurs et des applications en tout genre: emballages, matériaux de construction, intérieurs automobiles et d'avions, dispositifs médicaux, etc. L'impression fonctionnelle impacte discrètement la vie quotidienne et la société. Elle permet de concevoir des éléments d'avenir tels que les capteurs, les systèmes de chauffage, le câblage ou encore les systèmes d'éclairage. Exemples dans le monde automobile: les antennes intégrées aux coques de rétroviseur d'une voiture, les incrustations moulées pour le tableau de bord, les éléments chauffants du siège, des éléments chimiques pour le catalyseur ou l'étanchéité du bloc-moteur. "La liste est pratiquement infinie. Il s'agit de choses complexes - mais aussi simples - qui facilitent et améliorent certaines étapes de la production. L'impression industrielle est omniprésente sans que la plupart des gens le remarquent", dit Peter Buttiens. L'impression fonctionnelle et industrielle est vouée à s'intégrer encore plus profondément et plus largement dans de nouveaux segments d'environnements de production industrielle.Le marché de l'impression fonctionnelle et industrielle est très concurrentiel. Il fait la jonction entre différents secteurs industriels, dont l'impression (sérigraphie, jet d'encre, héliogravure, offset, flexographie), les matériaux (substrat, encre) et l'électronique. Eastman Kodak, BASF, DuPont, Toyo Ink, Avery Dennison, Altana AG, Agfa-Gevaert, Xaar sont quelques principaux acteurs du marché à travers le monde. Les applications les plus familières sont les étiquettes RFID, les écrans et les capteurs, mais aussi le photovoltaïque, les batteries, l'éclairage, les composants électroniques, etc. En ce qui concerne les substrats, l'impression fonctionnelle est utilisée pour imprimer aussi bien sur du papier (e-papier), le plastique (PET, PEN), le verre que sur du textile et le métal. Les matériaux semi-conducteurs, comme le nitrure de gallium (GaN), entrent en ligne de compte. Ce matériau est utilisé dans l'électronique pour émettre de la lumière (LED) afin d'éclairer les téléviseurs et les écrans d'ordinateur, mais aussi dans les panneaux solaires, dont certains éléments sont sérigraphiés. Le GaN est aussi utilisé dans les transistors et pour fabriquer des chargeurs USB. Quant aux encres, celles-ci sont segmentées en encres semi-conductrices et conductrices à l'argent ou au cuivre, au graphène et autres types. Vous l'aurez compris, ces encres sont utilisées dans l'électronique imprimée. L'encre conductrice au graphène est par exemple utilisée dans les batteries et les dispositifs OLED souples, les circuits optiques, etc. Le marché de l'impression fonctionnelle fait en outre appel à différentes technologies d'impression. La sérigraphie et le jet d'encre sont en tête, suivis de l'héliogravure et dans une moindre mesure de la flexographie et de l'offset. Les technologies d'impression ne sont actuellement pas spécifiquement conçues pour les applications d'impression fonctionnelle, ce qui conduit diverses organisations à investir dans la R&D de nouvelles technologies pour cela. Il existe néanmoins des solutions industrielles d'impression jet d'encre ou 3D spécifiquement conçues pour l'électronique (ex. Notion Systems) ou pour le procédé IML/IMD pour la décoration dans le moule (ex. Thieme, Kurz). Le marché de l'impression fonctionnelle connaît une croissance constante. "En 2020, le marché de l'impression fonctionnelle et industrielle représentait 42 milliards de dollars et atteindra d'ici 2030 74 milliards de dollars", dit Peter Buttiens. Le cabinet d'études de marché Mordor Intelligence parle lui d'un taux de croissance annuel de près de 21% sur la période de prévision 2021-2026. Le bureau d'études anglais Smithers Pira pointe l'électronique imprimée, l'impression 3D et le textile imprimé en numérique comme des marchés de l'impression fonctionnelle à forte croissance. Pour ESMA, les trois principaux domaines d'applications de l'impression fonctionnelle sont principalement les écrans OLED (smartphone, tablette, TV...), suivis des capteurs et des encres conductives (source IDTechEx). "L'emballage intelligent est également en plein essor et devrait être cinq fois plus important d'ici 2050", dit Peter Buttiens. "Le coût a toujours joué un rôle, mais grâce à l'approche industrielle, nous pouvons maintenant proposer des solutions comme la RFID et la NFC à bon prix. Cela offre de nombreuses possibilités pour la sécurité, lutter contre la contrefaçon et offrir des informations supplémentaires par smartphone". Malgré sa croissance, le marché mondial de l'impression fonctionnelle n'a pas été épargné par la pandémie de Covid-19. L'économie a en effet été affectée en raison de la perturbation causée dans le cycle de la production et de la demande. L'ensemble de l'industrie a souffert de problèmes de livraison à partir de la Chine. "Les secteurs utilisateurs de semi-conducteurs, surtout, se sont retrouvés à l'arrêt. Ce qui a eu des conséquences pour le secteur automobile, mais aussi pour les fabricants d'appareils ménagers, qui ont dû se croiser les bras faute de composants électroniques. En Amérique aussi, nous avons observé un net recul dans l'industrie des vêtements (impression de t-shirts) et le reste de l'industrie textile a ensuite connu des ralentissements", explique Peter Buttiens. "Le segment de l'électronique imprimée a quant à lui prospéré et la production de panneaux photovoltaïques a bénéficié d'un énorme boost. La plus forte croissance a été observée dans les soins de santé, grâce aux capteurs et autres composants. Le développement de tests rapides pour la Covid-19 a aussi signé une percée de l'impression industrielle. Ce qui n'est pas une surprise: les bandelettes de test de diabète sont sérigraphiées depuis des années. Ces cinq dernières années, nous avons observé une forte croissance du côté des tests rapides (kits de diagnostic) de toutes sortes de maladies ; cancer, HIV, MST, etc. ; et celle-ci se poursuivra". Comme l'indique le cabinet d'études de marché Data Bridge, divers facteurs favorisent la croissance du marché de l'impression fonctionnelle. La disponibilité d'une large gamme de substrats, l'impression rouleau-rouleau pour le traitement de grande surface, le faible impact environnemental de l'impression fonctionnelle et l'électronique imprimée en sont quelques exemples. Par ailleurs, l'introduction de nouvelles applications et fonctionnalités dans plusieurs produits ainsi que l'adoption de l'impression 3D apportent aussi de nouvelles opportunités pour la croissance du marché de l'impression fonctionnelle. Si la sérigraphie est la technologie prédominante sur ce marché, le jet d'encre s'immisce progressivement dans les secteurs de l'impression fonctionnelle comme la décoration industrielle de contenants et objets en impression directe. L'adoption de l'impression jet d'encre se développe, car elle offre des avantages significatifs dans diverses chaînes d'approvisionnement. Sa flexibilité en termes de productivité et sa capacité à imprimer des données variables de façon rentable font du jet d'encre un outil adapté pour l'impression fonctionnelle. S'ajoute à cela l'adoption de l'impression 3D dans les processus industriels pour fabriquer des pièces fonctionnelles et des articles de manière rentable. La technologie est soit utilisée pour le prototypage rapide dans de nombreux secteurs (aviation, automobile, médecine, emballage...) soit pour produire les moules, outils de matrices complexes utilisés pour former des pièces métalliques et plastiques. La technologie 3D permet aussi de personnaliser des produits et d'intégrer l'électronique en évitant ou en réduisant l'utilisation de cartes de circuits imprimés. En ce sens, elle modifie la façon dont l'électronique s'intègre dans les objets communs tels que les panneaux lumineux intégrés ou des antennes intégrées. L'impression 3D est une technologie qui peut être mobilisée rapidement et donc répondre rapidement aux urgences. Même en cas de perturbations graves des chaînes d'approvisionnement, comme ce fut le cas pendant la pandémie, les pièces critiques peuvent être fabriquées à la demande par n'importe quelle installation d'impression 3D décentralisée dans le monde. Et ce en tirant parti des conceptions partagées en ligne. Quantica et Nano Dimension sont par exemple deux fabricants allemands de solutions d'impression 3D pour les secteurs dentaire, médical et électronique. Les technologies et les processus employés dans le développement de l'impression fonctionnelle permettent de réduire l'impact sur l'environnement. "Le monde est fortement en train d'évoluer sur le plan de la soutenabilité: moins d'émissions de CO2, fin de la surproduction. Cette dimension prendra de plus en plus d'importance dans les années qui viennent et l'impression peut certainement jouer son rôle", évoque Peter Buttiens. "Les nouveaux développements durables reposent par exemple sur le photovoltaïque à pérovskite ou de nouvelles batteries à semi-conducteurs. La technologie OLED commence à dominer le monde des écrans, tandis que la pandémie mondiale a accru le besoin de capteurs de surveillance et de kits de diagnostic rapide". Le CEO d'ESMA cite aussi comme exemple de modèle les petits environnements de production intégrés dans l'industrie textile, qui peuvent par ailleurs être transposés dans d'autres secteurs. Ces micro-usines fonctionnent sur un modèle de production à la demande de sorte à réduire les stocks et alléger l'empreinte écologique des livraisons et de la production. Autre exemple dans le monde des produits d'hygiène corporelle: la décoration peut désormais s'effectuer en interne grâce à l'impression directe sur objet (DTS pour Direct-to-Substrate). Le jet d'encre peut ici être utilisé au service d'une personnalisation flexible. "Une impression DTS permet d'économiser le coût et le matériau d'une étiquette. Le phénomène est déjà partiellement en cours dans le monde textile, avec la sérigraphie directe des informations de l'étiquette sur la face intérieure de l'étoffe", explique Peter Buttiens. En électronique imprimée, le circuit est créé en déposant des encres conductrices et semi-conductrices directement par un procédé d'impression. Dans ce domaine, l'impression fonctionnelle a un avenir prometteur pour la production à grand volume. Secteur important pour l'impression industrielle, les applications électroniques imprimées trouvent principalement des débouchés dans les secteurs de la médecine, de l'automobile, des appareils ménagers et l'industrie. Selon Peter Buttiens, le monde de l'électronique imprimée a de nouveaux défis à relever avec les circuits électroniques souples, qui sont plus minces et plus légers. Ils offrent l'avantage d'être moins chers et faciles à intégrer dans des pièces en 3D. En la matière, l'entreprise belge Quad Industries est un spécialiste de solutions en électronique imprimée souple. Les capteurs, interrupteurs à membranes, écrans, panneaux tactiles, électrodes OV, électronique 3D, emballages intelligents, antennes (RFID, NFC) sont quelques exemples phares sur ce segment. L'électronique imprimée est aussi vue comme un moyen de diminuer les coûts de production. "Certains processus traditionnels sont très énergivores et coûtent très cher. Pour certains produits, une bonne part des coûts peut être réduite grâce au recours à l'impression industrielle", dit Peter Buttiens. "Nous observons que beaucoup de nouveaux développements sont liés à l'électronique imprimée. Ainsi, l'essor des voitures électriques aura un impact considérable, car ces véhicules seront équipés de composants imprimés (capteurs de chaleur et de température des batteries, lidar, etc.). Nous voyons aussi des solutions intelligentes dans les appareils électroménagers avec des conceptions de panneaux de commande plus esthétiques. Les applications qui seront importantes à l'avenir grâce à l'impression des pistes conductrices seront notamment les patchs électroniques, l'électronique moulée, les vêtements connectés, les emballages intelligents, etc." L'Asie est la plus grande région de l'électronique imprimée, avec de grandes entreprises situées au Japon, en Corée du Sud, à Taiwan et en Chine. "L'Europe entend réduire sa dépendance par rapport à la Chine, dont la mainmise sur les matières premières et les composants est devenue très forte. Ce qui rend la demande d'environnements de production flexibles d'autant plus aiguë", dit Peter Buttiens. L'étiquette RFID est une application en plein développement dont l'utilisation est stimulée par la croissance du secteur de la vente au détail. La RFID permet d'automatiser le suivi des marchandises tout au long de la chaîne d'approvisionnement de la vente au détail, de l'entrepôt au magasin, remplaçant le processus de numérisation manuel des produits par les employés. La technologie UHF-RFID imprimée se répand aussi sur des objets du quotidien ou des emballages dans la chaîne d'approvisionnement. Soit en imprimant l'antenne sur un substrat flexible qui est fixé sur l'objet soit en imprimant directement sur l'emballage. Un smartphone suffit alors comme lecteur. "Il y a aussi une explosion de capteurs de base à avancés pour les hôpitaux. La surveillance à l'hôpital ou à domicile peut alors se faire avec des patchs qui mesurent presque tout en même temps et en temps réel, du rythme cardiaque à la pression artérielle, mais aussi l'ECG, l'insuline, la température, les fréquences respiratoires, etc. Cela peut économiser beaucoup de personnel qui ne fait parfois que prendre des mesures quotidiennement. Les infirmiers pourraient alors faire d'autres tâches qui ne peuvent pas être automatisées", dit Peter Buttiens. Dans ce domaine, l'institut de recherche interuniversitaire flamand en Micro-électronique et nanotechnologies à Louvain joue un rôle important dans les nouveaux développements des soins de santé et des applications médicales. Dans le segment de l'électronique imprimée, la sérigraphie est le principal procédé d'impression utilisé. Selon Peter Buttiens, les imprimantes jet d'encre sont utilisées pour la R&D et les projets pilotes et représentent moins de 2% du volume d'impression dans le domaine de l'électronique imprimée. À titre d'exemple, l'imprimante numérique Voltera est un système compact spécialement dédié à ce type de production. Équipée d'une tête spéciale et d'une encre conductrice, elle permet de produire rapidement des prototypes avant de passer à la production à grande échelle en sérigraphie. "En attendant, la sérigraphie doit aussi repousser ses limites en imprimant plus finement avec des lignes allant jusqu'à 20 microns, ce qui était pratiquement impossible il y a cinq ans. Grâce à de nouvelles techniques et une meilleure utilisation du CTS (computer-to-screen) pour créer des gabarits et améliorer les dispositifs et l'environnement sérigraphiques, les résultats s'améliorent", dit Peter Buttiens. Le textile est un nouveau domaine d'exploration pour l'impression fonctionnelle et industrielle. On voit ainsi émerger le textile électronique (e-textile) ou intelligent, qui est un type de tissu contenant des éléments électroniques (capteurs, chauffage, refroidissement, stimulation musculaire, sécurité...). Cela concerne aussi bien les vêtements que les tissus d'intérieur. ESMA a d'ailleurs lancé en 2020 un nouveau pilier axé sur le textile. Et cette année, l'association européenne a également créé le nouvel événement TPS, une conférence qui se veut être une plateforme d'échanges pour rendre l'industrie textile plus durable. "Notre but premier est de mettre l'accent sur le rapport entre un flux d'impression textile et la chimie. Notre comité HSEP (Santé, Sécurité & Protection environnementale) joue un rôle important pour assurer le suivi du flux de données relatif aux changements dans la chimie des encres et le post-traitement. Le cheminement vers des solutions plus écoresponsables et écologiques constitue également un thème à part entière. Un groupe de travail suit les besoins de l'impression textile en matière de standardisation, de gestion des couleurs, de modèles économiques et de concepts technologiques tels que les micro-usines et l'automatisation sur les marchés de l'habillement, de la déco intérieure et des textiles techniques. Notre nouveau focus sur le textile n'a rien de surprenant: une analyse a montré que 80% de nos membres sont concernés de près ou de loin par l'impression de tissus", dit Peter Buttiens. Dans les micro-usines, la production imprimée est faite à proximité de l'acheteur. Pour une collection de mode, les ruptures de stock peuvent ainsi être évitées en approvisionnant les magasins en petites quantités. Au niveau mondial, la sérigraphie et le jet d'encre sont les deux principaux procédés d'impression dans le domaine du textile. "Dans le segment des textiles d'intérieur, le jet d'encre joue un rôle important pour l'individualisation", ajoute Peter Buttiens. La technologie jet d'encre est aussi considérée comme une solution adaptée pour raccourcir la chaîne d'approvisionnement et la rendre plus flexible. Il y a dix ans, l'impression de décors et laminés était le secteur le plus important pour l'impression fonctionnelle. Selon Smithers Pira, il représentait un tiers de la valeur totale du marché. L'impression industrielle est aussi utilisée pour imiter des matériaux tels que le bois et la pierre. L'héliogravure domine encore le marché et permet d'imprimer du papier laminé sur des surfaces, mais l'impression jet d'encre se répand aussi de plus en plus. Le jet d'encre a d'ailleurs pleinement investi le segment de la décoration de carrelages. "L'impression de décoration d'intérieur est un marché en pleine croissance pour toutes sortes de solutions: des stratifiés aux dalles vinyle, mais aussi les structures bois et les papiers peints. La technologie apporte des solutions durables, et, surtout, permet de laisser libre cours à la créativité. Il est évident que l'impression industrielle ne connaît pas de limites. La technologie en étonnera encore plus d'un à l'avenir", conclut Peter Buttiens.