Des Chercheurs Développent De Nouveaux Matériaux Magiques Grâce À L'Impression 3D

Les ingénieurs de Princeton ont développé une technologie d’impression 3D évolutive pour produire des plastiques souples avec une extensibilité et une flexibilité personnalisables, tout en étant recyclables et rentables – des caractéristiques rarement disponibles en même temps que les matériaux disponibles dans le commerce.

Contrairement à des matériaux similaires nécessitant un traitement complexe, ce plastique peut être fabriqué avec une imprimante 3D.

Dans une étude publiée dans Advanced Functional Materials, Emily DavidsonL’équipe dirigée par Davidson) a détaillé comment ils ont utilisé des élastomères thermoplastiques – une classe de polymères largement disponibles – pour créer des structures imprimées en 3D avec une rigidité réglable.En concevant le chemin d'impression d'une imprimante 3D, les ingénieurs peuvent programmer les propriétés physiques du plastique pour que l'appareil s'étire et se plie dans une direction tout en restant rigide dans l'autre.

Davidson, professeur adjoint de génie chimique et biologique, a souligné les applications potentielles de cette technologie dans des domaines tels que la robotique douce, les dispositifs médicaux, les prothèses, les casques légers et les semelles hautes performances personnalisées.

La clé de la performance du matériau réside dans sa structure interne minimale.L'équipe a utilisé un copolymère à blocs capable de former une structure cylindrique dure de 5 à 7 nanomètres d'épaisseur (contre environ 90 000 nanomètres pour un cheveu humain) dans une matrice polymère élastique.Les chercheurs ont utilisé la technologie d'impression 3D pour orienter ces cylindres à l'échelle nanométrique, obtenant ainsi un matériau d'impression 3D rigide dans une direction, mais doux et élastique dans presque toutes les autres directions.Les concepteurs peuvent orienter ces cylindres dans différentes directions d'un seul objet, ce qui permet de concevoir des structures souples qui présentent une dureté et une extensibilité dans différentes zones de l'objet.

Davidson a déclaré: « l'élastomère que nous utilisons forme des nanostructures que nous pouvons contrôler.Cela permet aux concepteurs de contrôler le produit fini dans une large mesure.Nous pouvons créer des matériaux avec des caractéristiques personnalisées dans différentes directions. »

La première étape dans le développement de ce procédé consiste à choisir le polymère approprié.Les chercheurs ont choisi un élastomère thermoplastique, un copolymère à blocs qui peut être chauffé et traité comme un polymère fondu, mais qui se solidifie en un matériau élastique lorsqu'il est refroidi.Au niveau moléculaire, les polymères sont de longues chaînes composées de molécules interconnectées.Les homopolymères traditionnels sont de longues chaînes composées d'une molécule répétée, tandis que les copolymères séquencés sont constitués de différents homopolymères liés entre eux.Ces différentes zones de la chaîne du copolymère à blocs sont comme l'huile et l'eau qui sont séparées les unes des autres plutôt que mélangées.Les chercheurs ont utilisé cette propriété pour produire des matériaux contenant des cylindres durs dans une matrice télescopique.

En utilisant leurs connaissances sur la façon dont ces nanostructures de copolymère à blocs se forment et comment elles réagissent à l'écoulement, les chercheurs ont développé une technologie d'impression 3D qui peut efficacement amener ces Nanostructures rigides à s'aligner.Les chercheurs ont analysé comment la vitesse d'impression et la Sous - extrusion contrôlée peuvent être utilisées pour contrôler les propriétés physiques des matériaux d'impression.

Premier auteur de l'article, Alice Ferguson, étudiante diplômée de PrincetonFergerson) a présenté cette technologie et le rôle clé joué par le recuit thermique – un chauffage et un refroidissement contrôlés du matériau.

En contrôlant la structure interne du matériau, les ingénieurs peuvent créer des objets avec diverses caractéristiques.Source de l'image:Sameer A. Khan / fotobuddy

« Je pense que l’une des Parties les plus intéressantes de cette technologie est la multitude de rôles que le recuit thermique joue – il améliore considérablement les performances après l’impression, tout en permettant à ce que nous imprimons d’être réutilisé plusieurs fois et même de se réparer si un article est endommagé ou cassé. »

Davidson a déclaré que l'un des objectifs du projet était de créer des matériaux souples avec des caractéristiques mécaniques localement réglables qui seraient à la fois abordables et évolutives pour l'industrie.L'utilisation de matériaux tels que les élastomères à cristaux liquides permet de réaliser des structures similaires avec des propriétés localement contrôlables.Mais Davidson dit que ces matériaux sont coûteux (jusqu'à 2,50 par gramme).Plus de dollars), qui nécessite également un traitement par plusieurs processus, y compris un contrôle minutieux de l'extrusion, puis une exposition aux rayons UV.Les élastomères thermoplastiques utilisés par Davidson Labs coûtent environ 1 centime par gramme et peuvent être utilisés en 3D commercialeImprimante à imprimer.

Les chercheurs ont démontré la capacité de leur technologie à incorporer des additifs fonctionnels dans les élastomères thermoplastiques sans réduire la capacité de contrôler les caractéristiques des matériaux.Dans un exemple, ils ont rejoint une sorte de Lynn LooProfesseur de molécules organiques développées par l'équipe de recherche, qui permettent aux plastiques d'émettre une lumière rouge lorsqu'ils sont exposés aux rayons UV.Ils ont également démontré la capacité de l'imprimante à produire des structures multicouches complexes, notamment un petit vase en plastique et un épelage en virage serré.Texte imprimé par Princeton.

Le recuit joue un rôle clé dans leur processus, il améliore la perfection de l'ordre nanostructuré interne.Davidson dit que le recuit permet également d'obtenir les propriétés auto - cicatrisantes du matériau.Dans le cadre de ce travail, les chercheurs peuvent couper des échantillons flexibles de plastique imprimé et reconnecter le matériau par recuit.Le matériau réparé présente les mêmes caractéristiques que l'échantillon original.Les chercheurs ont déclaré qu'ils n'avaient observé "aucune différence significative" entre les matériaux d'origine et les matériaux restaurés.

Ensuite, l'équipe commencera à explorer de nouvelles architectures imprimables en 3D qui seront compatibles avec des applications telles que l'électronique portable et les dispositifs biomédicaux.