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Des chercheurs de l’armée américaine créent des matériaux d’impression 3D auto-cicatrisants – ImpressionEn3D.com

Des chercheurs de la Texas A&M University et du US Army Research Laboratory (ARL) ont développé un nouveau matériau capable de guérir de manière autonome dans l’air et sous l’eau. Ce polymère, unique en son genre, imprimable en 3D et réactif aux stimuli, devrait être essentiel pour construire des membres prothétiques réalistes, ainsi que pour permettre une reconfigurabilité massive dans les futurs programmes militaires, ouvrant de nouvelles opportunités pour la transformation des véhicules aériens sans pilote, l’auto-guérison. pales d’hélicoptère et plates-formes robotiques.

En peaufinant la chimie d’un seul polymère, l’équipe de chercheurs a créé une famille de matériaux synthétiques dont la texture varie d’ultra-douce à extrêmement rigide. Dirigée par l’ingénieur aérospatial et chercheur principal de ce travail pour l’ARL, Frank Gardea, et co-auteur et professeur de l’étude et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université Texas A&M, Svetlana Sukhishvili, l’étude a abouti à des matériaux imprimables en 3D qui peuvent s’auto-guérir si endommagés, se transforment en une autre forme et adhèrent même naturellement les uns aux autres dans l’air ou sous l’eau.

La nouvelle découverte détaillée dans le journal Matériaux fonctionnels avancés Le numéro de mai 2020 rapporte comment une famille de réseaux polymères covalents dynamiques imprimables en 3D avec des propriétés mécaniques largement variables et des capacités d’auto-guérison pourrait être fabriquée avec des caractéristiques mécaniques «à la demande».

Selon l’étude, les polymères sont constitués d’unités répétitives, comme les maillons d’une chaîne. Pour les polymères plus tendres, ces chaînes ne sont que légèrement reliées les unes aux autres par des réticulations, mais plus il y a de réticulations entre les chaînes, plus le matériau devient rigide. Gardea a expliqué que la plupart des matériaux réticulés, en particulier ceux qui sont imprimés en 3D, ont tendance à avoir une forme fixe, ce qui signifie qu’une fois la pièce fabriquée, le matériau ne peut pas être retraité ou fondu. Au lieu de cela, les nouveaux polymères ont une liaison dynamique qui leur permet de passer plusieurs fois de liquide à solide, ce qui leur permet d’être imprimés en 3D et recyclés. En outre, les scientifiques ont déclaré que les liaisons dynamiques introduisent un comportement de mémoire de forme unique, dans lequel le matériau peut être programmé et déclenché pour revenir à une forme mémorisée.

«Les liens croisés sont comme des points dans un morceau de tissu, plus vous avez de points, plus le matériau devient rigide et vice versa», a suggéré Sukhishvili. «Mais au lieu d’avoir ces ‘points de suture’ permanents, nous voulions obtenir une réticulation dynamique et réversible afin de pouvoir créer des matériaux recyclables.

La flexibilité introduite dans la chaîne polymère lui permet d’être affinée, de manière sans précédent, pour obtenir soit la douceur du caoutchouc, soit la résistance des plastiques porteurs, ont affirmé les experts. Le scientifique en chef associé de la direction de la technologie des véhicules de l’ARL, Bryan Glaz, a décrit dans quelle mesure les travaux antérieurs sur les matériaux adaptatifs concernaient des systèmes de matériaux qui sont soit trop souples pour les applications structurelles, soit ne conviennent pas pour le développement de plates-formes, de sorte que le recours aux époxydes pourrait être envisagé. révolutionnaire. Il a également suggéré que les progrès scientifiques de l’équipe de recherche marquent «un premier pas sur un très long chemin vers la réalisation de la possibilité scientifique de plates-formes futures profondes».

Gardea a expliqué qu’en modifiant le matériel et les paramètres de traitement dans une imprimante 3D standard, nous avons pu utiliser nos matériaux pour imprimer des objets 3D complexes couche par couche. L’avantage unique de nos matériaux est que les couches qui composent la pièce 3D peuvent être de rigidité très différente. »

Au fur et à mesure que la pièce 3D se refroidit à température ambiante, les différentes couches se joignent de manière transparente, évitant le besoin de durcissement ou de tout autre traitement chimique, a expliqué l’expert. Par conséquent, les pièces imprimées en 3D peuvent facilement être fondues en utilisant une chaleur élevée, puis recyclées comme encre d’impression. De plus, les chercheurs ont remarqué que leurs matériaux sont reprogrammables, en d’autres termes, après avoir été mis en une seule forme, ils peuvent être amenés à se transformer en une forme différente en utilisant simplement la chaleur. À l’avenir, ils prévoient d’augmenter la fonctionnalité de leurs nouveaux matériaux en amplifiant leurs propriétés multiformes.

«À l’heure actuelle, nous pouvons facilement atteindre 80% d’auto-guérison à température ambiante, mais nous aimerions atteindre 100%. De plus, nous voulons rendre nos matériaux réactifs à d’autres stimuli autres que la température, comme la lumière », a expliqué Gardea. «Plus loin, nous aimerions explorer l’introduction d’une intelligence de bas niveau afin que ces matériaux sachent s’adapter de manière autonome sans avoir besoin d’un utilisateur pour lancer le processus.»

Pour l’étude, des échantillons ont été fabriqués de manière additive en utilisant un Makerbot Replicator 2X, incorporant une extrudeuse à base de seringue suivant la technique de bio-impression 3D de conception personnalisée appelée incorporation réversible de forme libre d’hydrogels en suspension (FRESH), développée par des chercheurs de l’Université Carnegie Mellon. La modification a permis de convertir le mouvement rotatif des moteurs pas à pas d’origine de l’extrudeuse thermoplastique en un mouvement linéaire pour entraîner le piston de la seringue.

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Des matériaux souples avec des propriétés mécaniques largement personnalisables dans tout le volume du matériau peuvent façonner l’avenir de la robotique douce et de l’électronique portable, impactant à la fois les secteurs de la consommation et de la défense. Cette étude s’inscrit en fait dans un programme de recherche exploratoire mené par l’ARL pour examiner les nouveaux développements scientifiques susceptibles de perturber les paradigmes scientifiques et technologiques actuels dans 30 à 50 ans.

Gardea a décrit que l’ARL veut «un système de matériaux pour fournir simultanément structure, détection et réponse», alors que les chercheurs de l’armée envisagent une future plate-forme, adaptée aux missions aériennes et terrestres, avec les caractéristiques de reconfiguration du personnage Android T-1000 dans le Film hollywoodien Terminator 2. Les aspirations de science-fiction de la recherche continuent de progresser et, à mesure que le projet mûrit, le matériau devrait pouvoir se reconfigurer massivement et disposer d’une intelligence intégrée lui permettant de s’adapter de manière autonome à son environnement sans aucun contrôle externe.

Une fonctionnalité comme celle-ci pourrait devenir un moyen puissant de créer des objets mécaniquement divers avec un comportement de mémoire de forme réglable et reprogrammable à l’aide de processus d’impression 3D. Au-delà de son potentiel dans les systèmes de défense et les prothèses, le nouveau matériau aborde plusieurs problèmes de performance et de durabilité et la recherche exploratoire soutient les défis mis en évidence par l’armée américaine en améliorant la connaissance des comportements matériels qui pourraient être capables d’introduire la multifonctionnalité dans les plates-formes de l’armée du futur. .

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