Impression 4D d'actionneurs en polymères magnéto-actifs

Publié par Redbran le 17/11/2021 à 13:00
Source: CEA IRAMIS

La rencontre entre impression 3D et matériaux "intelligents" permet aujourd'hui le développement d'un nouveau champ de recherche: l'impression 4D, qui explore la possibilité d'imprimer des objets dynamiques qui évoluent dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) (la 4ème dimension) par interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) ou sous l'effet de stimuli externes.

Dans ce cadre, une équipe du LSI, en collaboration avec des chercheurs du Politecnico di Torino et de Centrale Supelec, travaille à la réalisation de structures polymères magnéto-actives obtenues par le procédé d'impression 3D rapide de type DLP - Digital Light Processing, où la projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de...) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) polymérise en un seul passage l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) d'une couche de photopolymères.

La réalisation au laboratoire de divers actionneurs aux propriétés mécaniques et magnétiques contrôlées illustre les potentialités de ces méthodes d'impression "4D".

L'impression 3D permet de réaliser des objets par superpositions successives de fines couches de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...). L'impression 4D ajoute la possibilité d'imprimer des objets "à comportement", qui s'adaptent à leur environnement et évoluent de manière contrôlée sous l'effet de stimuli externes (température, lumière, champs électriques et magnétiques...). L'impression 4D est ainsi une forme fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions....) de l'impression 3D: au lieu d'imprimer uniquement des objets statiques, il est désormais possible d'imprimer des fonctions.

Dans ce domaine, les enjeux scientifiques ne reposent pas uniquement sur le développement de nouvelles méthodes de fabrication, mais aussi sur la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) intelligents et imprimables. En effet, l'utilisation de la matière intelligente dans les processus de fabrication additive permet d'incorporer une information dans chaque voxel de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) imprimé (le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) unitaire d'impression équivalent au bit en informatique) et de l'activer de manière contrôlée. Puisque les propriétés des voxels déterminent les propriétés macroscopiques de l'objet imprimé, l'idée est de travailler au développement de stratégies top down ou bottom up pour structurer les matériaux composites au cours de l'impression.

L'objectif de la recherche menée au LSI est de montrer l'apport de la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) temporelle dans l'impression 3D d'objets composites multifonctionnels actifs. Le travail porte actuellement sur la recherche de processus d'auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de...) de particules magnétiques (magnétite Fe3O4, jusqu'à 6 % en poids) incluses dans des résines photosensibles, uréthane-acrylate avec un diluant réactif d'acrylate de butyle, pour la fabrication additive de polymères magnéto-actifs. Les propriétés mécaniques des polymères peuvent être ajustées selon la composition de la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...), tandis que la réponse magnétique des échantillons peut être modulée en changeant la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) en nanoparticules et leur organisation (Une organisation est) spatiale (microstructure).

En collaboration avec le Politecnico di Torino, une étude systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour...) des processus d'auto-assemblage des nanoparticules de magnétite (La magnétite est une espèce minérale composée d'oxyde de fer(II,III),...) en structures filaires a été réalisée. La cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) de formation des chaînes de nanoparticules dans les résines d'impression, l'évolution de leurs dimensions ainsi que leur cinétique de rotation ont été étudiées en détails, et les résultats expérimentaux ont été couplés à des simulations numériques basées sur le modèle d'approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) dipolaire (collaboration avec Centrale Supelec). On dispose ainsi des procédés pour moduler de façon contrôlée à l'échelle de chaque couche, les propriétés mécaniques et magnétiques des objets imprimés. En exposant (Exposant peut signifier:) la résine photosensible (La résine photosensible (appelée aussi photorésine et parfois photorésist) est...) à une source lumineuse (UV ou visible), sa polymérisation fige la microstructure ce qui fixe l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction....) magnétique de la couche imprimée. Cette propriété est ensuite utilisée pour contrôler le comportement de l'objet macroscopique (pliage-dépliage, rotation...).


Figure 1. Processus d'auto-assemblage des nanoparticules de magnétite (Fe3O4) observé par a-b) microscopie optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) et c-d) simulations numériques. e) impression d'une pyramide (Une pyramide (du grec pyramis) à n côtés est un polyèdre formé en reliant...) où chaque niveau présente une orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) spécifique des chaines des nanoparticules la microstructure (les). Ce résultat est obtenue à l'aide d'une imprimante (Les imprimantes ont été conçues dès l’apparition des premiers...) par traitement numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) de la lumière (DLP) modifiée pour permettre l'auto-assemblage des nanoparticules et l'orientation de la microstructure sous champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) lors du processus d'impression.

Pour ce faire, une imprimante 3D commerciale à traitement numérique de la lumière (DLP) a été modifiée pour pouvoir appliquer un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétiques d'intensité et direction variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) pour chaque couche d'impression. Enfin, pour valider cette approche une série d'objets (voir figure) capable de subir des actions programmées ont été imprimés, comme par exemple des actionneurs permettant des mouvements de rotation ou de flexion. Il a aussi été possible de montrer que des engrenages magnéto-actifs avec des roues magnétiques, peuvent être combinés à des éléments non magnétiques pour créer des assemblages complexes, tels que des actionneurs linéaires ou des pinces actives.


Figure 2. Exemples d'impression 4D d'éléments magnéto-actifs et leurs mouvements: a-c) marteaux rigides, d-f) marteau souple, h-n) pince (Une pince est un dispositif mécanique ou un outil, ayant pour fonction de pincer quelque chose...) activée par une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) magnétique et un actionneur linéaire.

La prochaine étape de ce travail sera d'introduire de nouvelles espèces chimiques au sein de la résine photosensible, pour imprimer un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) multifonctionnel, c'est-à-dire un matériau qui possèdera à la fois des propriétés magnétiques et plasmoniques. Par ailleurs, en ayant recours à l'impression à deux photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...), nous chercherons aussi à transposer ce protocole de fabrication additive à des objets micrométriques, tels que les métamatériaux. Ce nouveau projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) (Quattro-D) a obtenu un financement dans le cadre de la campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...) 2021 du Programme Transversal des Compétences (PTC) du CEA. C'est le premier projet d'impression 4D au CEA.

Références:
[1] Programming the microstructure of magnetic nanocomposites in DLP 3D printing,
S Lantean, I. Roppolo, M Sangermano, M. Hayoun, H. Dammak, G Rizza, Additive Manufacturing 47 (2021) 102343.
[2] Printing of magnetoresponsive polymeric materials with tunable mechanical and magnetic properties by digital light processing,
S Lantean, G Barrera, CF Pirri, P Tiberto, M Sangermano, I Roppolo, G Rizza, 3D Advanced Materials Technologies, 4(11) 1900505 (2019).
[3] "Et bientôt l'impression 4D", G Rizza,Clefs CEA #72, 50, Avril 2021.
[4] "Impression 4D: les matériaux intelligents du futur ?, Polytechnique Insights, Ecole Polytechnique, Novembre 2021.

Contact:
CEA-IRAMIS:Giancarlo Rizza LSI/PCNano.

Collaborations:
Marco Sangermano et Ignazio Roppolo, Department of Applied Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) and Technology (DISAT) Politecnico di Torino, Corso Duca degli Abruzzi, 24, 10129 Torino, Italie.
Marc Hayoun, Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Polytechnique de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...), CEA/DRF/IRAMIS, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Ecole Polytechnique, Route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie...) de Saclay, 91128 Palaiseau, France.
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