Des scientifiques chinois ont fait une nouvelle percée pour résoudre les "problèmes de l'industrie" de la technologie d'impression 3D!

Avec le développement rapide des sciences et technologies d'aujourd'hui, la technologie d'impression 3D s'est répandue dans tous les secteurs d'activité, comme un vent fort venant de l'est. Des pièces mécaniques complexes et précises, aux modèles de produits réaliste, des prototypes architecturaux fantastiques aux objets du quotidien personnalisés, la technologie d'impression 3D, avec sa créativité infinie et sa flexibilité suffisante, a transformé l'imagination en réalité, rendant la vie des gens plus pratique tout en nous apportant des surprises.

Principe de fonctionnement de la technologie d'impression 3D

La technologie d'impression 3D, également appelée fabrication additive, est une méthode de production innovante qui construit des objets tridimensionnels en empilant des matériaux couche par couche. Son principe est similaire à celui de la construction d'une maison en briques, et peut être résumé simplement comme "fabrication par couches, empilement couche par couche".

Le processus d'impression 3D n'est pas compliqué. Tout d'abord, un modèle numérique est créé ou obtenu à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur, puis le modèle est découpé en une série de tranches très fines (c'est-à-dire des tranches), et l'épaisseur de chaque tranche est généralement comprise entre quelques dizaines de microns et plusieurs centaines de microns. Ensuite, en se basant sur ces informations de tranches, l'imprimante 3D construit l'objet final couche par couche grâce à des technologies et matériaux spécifiques.

Les procédés d'impression 3D incluent la modélisation par dépôt fondu (FDM), l'impression 3D par stéréolithographie photo (SLA, DLP, LCD), la sinterisation laser sélective (SLS), la fusion laser sélective (SLM), l'impression stéréolithographique par jet d'encre (3DP) et la fabrication couche par couche (LOM).

Le modèleage par dépôt fondu (FDM) est un procédé dans lequel des matériaux thermoplastiques filamenteux sont chauffés et fondus à travers une buse, déposés couche par couche sur une plateforme, puis finalement solidifiés en un objet tridimensionnel. Cette technologie utilise souvent des matériaux thermoplastiques comme matières premières, tels que le copolymère d'acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS), l'acide polylactique (PLA), etc. Elle a de faibles exigences en équipements et est facile à utiliser, convient aux particuliers et aux petits studios. Les "couteaux de radis" et les "épées télescopiques" qui ont récemment connu un grand succès sur le marché des jouets sont fabriqués de cette manière.

L'impression 3D par stéréolithographie (SLA, DLP, LCD) utilise une lumière d'une bande et d'une forme spécifiques pour irradier une résine photosensible, et la résine est polymérisée couche par couche pour produire des objets de la forme souhaitée. Cette technologie offre une grande précision de moulage et une surface lisse, et est adaptée à la fabrication de modèles détaillés et de petites pièces.

Le frittage laser sélectif (SLS) utilise un faisceau laser pour scanner des matériaux en poudre, les fondant et les reliant ensemble couche par couche afin de former un objet tridimensionnel. Cette technologie utilise de la poudre comme matériau brut (comme le nylon, la poudre métallique, la poudre céramique, etc.), offre une grande précision de moulage et convient à la fabrication de pièces fonctionnelles à structure complexe.

Le fusionnage laser sélectif (SLM) dispose d'une énergie laser plus élevée, similaire au frittage laser sélectif (SLS), et peut complètement fondre la poudre métallique pour réaliser une prototypage rapide de pièces métalliques. Cette technologie utilise souvent de la poudre métallique (comme l'alliage de titane, l'acier inoxydable, etc.) comme matériau brut, permettant d'imprimer des pièces métalliques de haute précision et de grande résistance, et est largement utilisée dans les domaines aérospatial, médical et autres.

L'impression stéréolithographique (3DP) utilise des matériaux en poudre (métal ou non métal) et des adhésifs comme matières premières, et imprime chaque couche de composant par un mécanisme d'assemblage. Les échantillons moulés de cette technologie d'impression ont la même couleur que le produit réel, et il s'agit actuellement d'une technologie d'impression 3D couleur plus aboutie.

La fabrication par stratification (LOM) utilise des matériaux en feuilles minces (comme le papier, les films plastiques, etc.) et des adhésifs thermofusibles comme matières premières, et construit les objets couche par couche grâce à un découpage laser et une liaison thermique. Cette technologie offre une vitesse de mise en forme rapide et un coût de matériel faible, et est adaptée pour fabriquer de grandes structures et coques.

Bien que le produit de la technologie d'impression 3D ait un haut degré de restitution, il est limité par les matériaux d'impression. Les produits imprimés en 3D sont très fragiles et peuvent se casser facilement sous l'effet de forces externes. Lorsque de tels produits sont utilisés dans des scénarios nécessitant de hautes performances mécaniques, ils semblent quelque peu "impuissants". Alors, comment améliorer le "cœur de verre" des produits imprimés en 3D, afin qu'ils aient une "peau" attrayante et une "souplesse" qui ne se casse pas facilement ?

Le 3 juillet 2024, des scientifiques chinois ont publié un résultat de recherche sur les élastomères imprimés en 3D dans la revue Nature. Les élastiques préparés à l'aide de cette technologie peuvent être étirés jusqu'à 9 fois leur longueur initiale, et la résistance maximale à la traction peut atteindre 94,6 MPa, ce qui équivaut à supporter près de 10 kilogrammes de gravité par millimètre carré, montrant une force et une solidité exceptionnelles.

« Réconciliation » entre la vitesse de mise en forme et la robustesse des produits finis

Dans le processus d'impression 3D par photocurage (SLA, DLP, LCD), l'amélioration de l'efficacité de production nécessite une vitesse de moulage plus rapide, ce qui entraîne une augmentation de la densité de réticulation du matériau et une diminution de la ténacité du matériau pendant le processus de polymérisation. Avec les méthodes conventionnelles, lorsque la ténacité du matériau augmente, sa viscosité augmente également, ce qui réduit la fluidité et ralentit la vitesse de moulage. La contradiction entre la vitesse de moulage de l'impression 3D et la résistance du produit fini a toujours préoccupé toute l'industrie.

Les scientifiques chinois ont "réconcilié" ces deux contradictions. Les chercheurs ont proposé une stratégie d'impression en plusieurs étapes et de post-traitement en analysant la résine photosensible brute utilisée dans l'impression 3D par photopolymérisation et en décomposant le processus d'impression. Les chercheurs ont conçu un précurseur DLP (digital light processing) à base de diméthacrylate, contenant une liaison uréique dynamiquement hindoue et deux groupes carboxyle sur la chaîne principale. Pendant l'étape d'impression et de moulage, ces composants clés sont dans un état "dormant" et jouent un rôle de renforcement lors de l'étape de post-traitement après moulage.

a. Objets imprimés en 3D et leurs changements dimensionnels pendant le post-traitement ; b. Performance anti-perforation des ballons imprimés en 3D ; c. Modélisation de la force mécanique de perforation ; d-e. Test de levage de poids du gripper pneumatique imprimé en 3D. Source de l'image : Référence [1]

Pendant l'étape de post-traitement à 90°C, les liaisons d'urée hindered dans les produits imprimés en 3D se dissocient pour générer des groupes d'isocyanate, qui forment d'une part des liaisons amide avec les groupes carboxyle de la chaîne latérale, et réagissent d'autre part avec l'eau adsorbée par l'acide carboxylique pour former des liaisons d'urée. Les changements dans les liaisons chimiques au sein des molécules relient la structure en réseau unique du matériau à une structure en réseau inter-pénétré similaire à une prise "main dans la main", apportant davantage de liaisons hydrogène et renforçant la structure interne du matériau. C'est précisément en raison des modifications de la structure interne du matériau que les produits imprimés en 3D disposent d'un espace de déformation plus important lorsqu'ils sont soumis à des forces externes, similaire à l'effet d'absorption d'énergie lors d'un impact de véhicule, ce qui améliore la résistance aux chocs et à la rupture du produit, avec une plus grande ductilité.

Les résultats expérimentaux montrent que le film préparé par impression 3D utilisant un précurseur DLP, avec une épaisseur de seulement 0,8 mm, présente une résistance extrêmement élevée à la perforation, lui permettant de supporter une force de 74,4 Newtons sans se rompre. Même sous des conditions d'inflation à haute pression, l'étreinte pneumatique imprimée en 3D peut encore saisir une boule en cuivre pesant 70 grammes avec des épines tranchantes sur la surface sans se casser, ce qui démontre la très grande ténacité et la solidité structurelle des produits imprimés en 3D.

Large application des élastomères imprimés en 3D

Dans le domaine de l'équipement sportif, les élastomères imprimés en 3D fournissent aux athlètes des équipements personnalisés et haute performance. Par exemple, les semelles intérieures sur mesure et les équipements de protection utilisent les propriétés d'absorption des chocs et de soutien des élastomères pour optimiser la performance sportive des athlètes et améliorer l'expérience de port. En particulier dans les sports extrêmes et à fort impact, les matériaux en élastomère imprimés en 3D peuvent réduire significativement les impacts sur les athlètes pendant l'exercice et protéger leurs articulations et muscles des blessures.

Dans les domaines de l'automobile et de l'aéronautique, les élastomères imprimés en 3D sont utilisés pour des composants clés tels que des pièces amortissantes légères et des joints. Ces pièces peuvent réduire le poids et maintenir une haute performance grâce à des conceptions structurales complexes.

Dans le domaine des produits électroniques, des produits tels que les enceintes intelligentes, les bracelets connectés, les coques de téléphone portable et autres peuvent être imprimés avec des matériaux élastomères. Ces produits présentent non seulement une excellente douceur et élasticité, mais aussi une grande résistance à l'usure et une durabilité, ce qui permet de répondre aux besoins multiples des consommateurs en matière d'apparence et de performance des produits.

Dans le domaine de la fabrication industrielle, la technologie d'impression 3D d'élastomères est utilisée pour fabriquer divers moules industriels et courroies de transmission ainsi que d'autres pièces. Ces pièces doivent supporter des contraintes mécaniques et des vibrations importantes, et les matériaux élastomères sont des choix idéaux grâce à leur excellente élasticité et résistance à la fatigue. La fabrication de ces pièces via la technologie d'impression 3D peut non seulement améliorer l'efficacité de production, mais aussi réduire les coûts de fabrication.

L'arrivée de la technologie d'impression 3D d'élastomères a encore élargi les scénarios d'utilisation des produits d'impression 3D et a apporté plus de possibilités colorées à notre vie.