Les ingénieurs de l’Université de Princeton ont mis au point une technique d’impression 3D innovante permettant de produire des plastiques souples avec des propriétés mécaniques programmables. Ces matériaux, en plus d’être flexibles, étirables et recyclables, sont également abordables à fabriquer, une combinaison rarement obtenue dans les matériaux manufacturés.
Une innovation basée sur les élastomères thermoplastiques
La clé de cette découverte réside dans l’utilisation d’un type spécifique de polymères, les élastomères thermoplastiques. Ces polymères appartiennent à une classe connue pour leur capacité à être chauffés, moulés, puis refroidis pour devenir élastiques. Les chercheurs ont exploité la structure moléculaire unique des copolymères blocs, constitués de différentes chaînes polymères liées, qui créent des nanostructures rigides à l’intérieur d’une matrice élastique.
Ces nanostructures, des cylindres rigides mesurant seulement 5 à 7 nanomètres (pour comparaison, un cheveu humain mesure environ 90 000 nanomètres), donnent au matériau des propriétés mécaniques personnalisables. Grâce à l’impression 3D, il est possible d’orienter ces cylindres pour rendre le plastique souple et élastique dans certaines directions, tout en le maintenant rigide dans d’autres.
Des applications aux propriétés mécaniques programmées
Cette avancée ouvre la voie à une multitude d’applications. Selon Emily Davidson, professeure assistante en génie chimique et biologique à Princeton et responsable de l’étude, ces plastiques pourraient être utilisés dans des domaines aussi variés que :
- La fabrication de robots souples.
- Les dispositifs médicaux et prothèses sur mesure.
- Des casques légers et résistants.
- Les semelles de chaussures hautement personnalisées.
Le contrôle précis de l’élasticité et de la rigidité permet de concevoir des objets aux performances optimales pour des besoins spécifiques. Par exemple, une semelle pourrait être plus rigide au niveau du talon pour offrir du soutien, tout en restant souple à l’avant pour faciliter le mouvement.
Une méthode simple et économique
Contrairement à des matériaux similaires tels que les élastomères à cristaux liquides, qui nécessitent des processus complexes et coûteux, les élastomères thermoplastiques utilisés ici sont accessibles et abordables. Avec un coût d’environ un centime par gramme, ils peuvent être imprimés à l’aide d’imprimantes 3D commerciales standard. Cette simplicité rend cette innovation particulièrement intéressante pour une industrialisation à grande échelle.
L’article publié dans Advanced Functional Materials met en lumière la manière dont la vitesse d’impression et le contrôle précis de l’extrusion influencent les propriétés mécaniques finales du matériau. Ces paramètres permettent aux chercheurs de programmer la structure interne et d’orienter les nanocylindres selon les besoins.
Le rôle clé de l’optimisation thermique
Un autre aspect essentiel du procédé est le recours au recuit thermique, un processus de chauffage et de refroidissement contrôlé. Ce traitement améliore considérablement les propriétés des matériaux imprimés, tout en offrant des fonctionnalités uniques, telles que :
- La réutilisation des objets imprimés plusieurs fois sans perte de qualité.
- La réparation par auto-cicatrisation : les échantillons endommagés peuvent être réassemblés par recuit, sans différence notable avec les matériaux d’origine.
Alice Fergerson, étudiante diplômée et auteure principale de l’article, souligne que ces caractéristiques permettent de concevoir des objets durables et modulables, renforçant ainsi leur attractivité pour des usages industriels.
Des matériaux personnalisés et multifonctionnels
Un des points forts de cette technique réside dans sa capacité à intégrer des additifs fonctionnels. Les chercheurs ont par exemple ajouté une molécule organique fluorescente qui rend le plastique luminescent sous lumière ultraviolette. Cela démontre que les matériaux peuvent être enrichis de fonctionnalités sans compromettre leur programmabilité.
Pour illustrer la précision et la complexité atteignables avec cette méthode, les chercheurs ont produit des structures complexes telles qu’un vase miniature ou encore des lettres imprimées orthogonalement formant le mot “Princeton”.
Perspectives futures : de nouvelles architectures pour des applications avancées
Les chercheurs envisagent désormais d’explorer des architectures 3D imprimables encore plus sophistiquées. L’objectif est de développer des applications dans des secteurs comme l’électronique portable ou les dispositifs biomédicaux, où les matériaux souples et personnalisables sont essentiels.
Emily Davidson souligne que ce procédé ouvre des perspectives intéressantes pour concevoir des matériaux avec des propriétés sur mesure, tout en restant compatibles avec les technologies existantes et les impératifs industriels.
Une innovation soutenue par des collaborations interdisciplinaires
Cette recherche a été menée avec le soutien de la National Science Foundation, du Princeton Center for Complex Materials et des fonds d’innovation Princeton Project X. Outre Emily Davidson et Alice Fergerson, l’équipe inclut Benjamin H. Gorse, Shawn M. Maguire et Emily C. Ostermann, tous membres du département de génie chimique et biologique de Princeton.
Un matériau d’avenir
Grâce à leur coût réduit, leur programmabilité avancée et leurs capacités de recyclage, ces plastiques offrent des solutions innovantes pour des industries variées. L’association de souplesse, durabilité et personnalisation constitue un véritable atout pour relever les défis techniques et environnementaux de demain.
Source de l’article : http://dx.doi.org/10.1002/adfm.202411812
