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Une nouvelle imprimante 3D « laser » multi-matériaux permet de créer des dispositifs complexes avec une seule machine

SciTechDaily

Des chercheurs de l'Université du Missouri ont mis au point une nouvelle méthode d'impression 3D qui permet de créer des dispositifs multi-matériaux complexes en un seul processus, simplifiant ainsi la fabrication et améliorant la durabilité environnementale. Crédit : Sam O'Keefe

Une méthode d’impression 3D innovante simplifie la fabrication de produits multi-matériaux.

Des chercheurs de l'Université du Missouri ont développé une méthode pour créer des dispositifs complexes avec plusieurs matériaux, notamment des plastiques, des métaux et semi-conducteurs – le tout avec une seule machine.

La recherche, qui a été récemment publiée dans Nature Communicationsdécrit un nouveau procédé d'impression 3D et laser pour fabriquer des capteurs multi-matériaux et multicouches, des circuits imprimés et même des textiles avec des composants électroniques.

Il s’agit du procédé d’assemblage multi-matériaux à forme libre, qui promet de révolutionner la fabrication de nouveaux produits.

En imprimant des capteurs intégrés dans une structure, la machine peut fabriquer des objets capables de détecter les conditions environnementales, notamment la température et la pression. Pour d’autres chercheurs, cela pourrait signifier avoir un objet d’apparence naturelle, comme un rocher ou un coquillage, qui pourrait mesurer le mouvement de l’eau de mer. Pour le grand public, les applications pourraient inclure des appareils portables qui surveillent la tension artérielle et d’autres signes vitaux.

Progrès dans les techniques d'impression 3D

Plus précisément, d’autres techniques ne parviennent pas à atteindre la polyvalence du matériau et la précision avec laquelle des composants plus petits peuvent être placés à l’intérieur de structures 3D plus grandes.

La méthode de l'équipe Mizzou utilise des techniques spéciales pour résoudre ces problèmes. Les membres de l'équipe ont construit une machine dotée de trois buses différentes : l'une ajoute un matériau semblable à de l'encre, une autre utilise un laser pour sculpter des formes et des matériaux, et la troisième ajoute des matériaux fonctionnels supplémentaires pour améliorer les capacités du produit. Elle commence par créer une structure de base avec un filament d'impression 3D ordinaire, comme le polycarbonate, un type de thermoplastique transparent. Ensuite, elle passe au laser pour convertir certaines pièces en un matériau spécial appelé laser-induit graphèneen le plaçant exactement là où il est nécessaire. Enfin, d'autres matériaux sont ajoutés pour améliorer les capacités fonctionnelles du produit final.

Ce travail est financé par le programme de fabrication avancée de la National Science Foundation (NSF) et le NSF I-Corps.MT Le programme fournit des fonds pour explorer la commercialisation.

« Le programme I-Corps nous aide à identifier les intérêts et les besoins du marché », a déclaré Lin. « Actuellement, nous pensons qu’il intéresserait d’autres chercheurs, mais nous pensons qu’il profitera en fin de compte aux entreprises. Il réduira le temps de fabrication pour le prototypage des appareils en permettant aux entreprises de fabriquer des prototypes en interne. Cette technologie, disponible uniquement à Mizzou, est très prometteuse pour transformer la façon dont les produits sont fabriqués. »

« C’est la première fois que ce type de procédé est utilisé et il ouvre de nouvelles possibilités », a déclaré Bujingda Zheng, doctorant en génie mécanique à Mizzou et auteur principal de l’étude. « Je suis enthousiasmé par cette conception. J’ai toujours voulu faire quelque chose que personne n’avait jamais fait auparavant, et je vais pouvoir le faire ici à Mizzou. »

L’un des principaux avantages est que les innovateurs peuvent se concentrer sur la conception de nouveaux produits sans se soucier de la manière de les prototyper.

« Cela ouvre la voie à des marchés entièrement nouveaux », a déclaré Jian « Javen » Lin, professeur associé d’ingénierie mécanique et aérospatiale à Mizzou. « Cela aura de vastes répercussions sur les capteurs portables, les robots personnalisables, les appareils médicaux, etc. »

Des techniques révolutionnaires

Actuellement, la fabrication d’une structure multicouche, comme un circuit imprimé, peut être un processus fastidieux qui implique plusieurs étapes et matériaux. Ces processus sont coûteux, prennent du temps et peuvent générer des déchets nocifs pour l’environnement.

Non seulement la nouvelle technique est meilleure pour la planète, mais elle s’inspire des systèmes présents dans la nature.

« Dans la nature, tout est constitué de matériaux structurels et fonctionnels », explique Zheng. « Par exemple, les anguilles électriques ont des os et des muscles qui leur permettent de se déplacer. Elles possèdent également des cellules spécialisées qui peuvent décharger jusqu’à 500 volts pour dissuader les prédateurs. Ces observations biologiques ont incité les chercheurs à développer de nouvelles méthodes de fabrication de structures 3D aux applications multifonctionnelles, mais d’autres méthodes émergentes ont des limites. »

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