Applications des microstructures hétérogènes imprimées en 3D

Une microstructure est la structure poreuse à petite échelle d'un matériau, qui ne peut généralement être observée que par grossissement.

La microstructure d'un matériau, qu'il s'agisse d'un métal, d'un polymère ou d'une céramique, peut déterminer des propriétés physiques telles que la répartition du poids, la flexibilité et la résistance. L'optimisation de la microstructure peut se produire naturellement ; les os humains, par exemple, sont constitués de structures complexes qui les rendent à la fois solides et légers. L'analyse est utilisée dans une variété d'industries et d'applications pour aider à améliorer des propriétés physiques importantes. Il s'agit souvent de modifier simplement la méthode de traitement d'un matériau spécifique. Avec la fabrication additive, de plus en plus de chercheurs découvrent les avantages potentiels de la création de microstructures personnalisées répondant à divers besoins.

Au Technion, l'Institut israélien de technologie, les chercheurs ont découvert plusieurs façons dont la fabrication additive pourrait simplifier et améliorer leur exploration de la conception des microstructures. Gershon Elber, spécialiste de la conception géométrique et professeur d'informatique au Technion, s'intéressait depuis des années à la fabrication additive.

Microéléments imprimés en 3D

Modèle de "calice" imprimé en 3D avec des micro-éléments colorés tranchés par Voxel Print, et enfermés dans un matériau translucide VeroClear™.

"Il y a une dizaine d'années, nous avons réalisé que le monde changeait. La façon dont nous fabriquons était auparavant soustractive, avec un outil de coupe enlevant de la matière pour obtenir la forme désirée", explique Elber.

"Maintenant, pour la première fois, le matériau peut être hétérogène, ce qui facilite la conception basée sur la microstructure."

Il avait déjà imprimé des microstructures en 3D par le passé, mais le processus de conception n'était ni pratique ni rapide. Jusqu'à récemment, une imprimante 3D multi-matériaux de haute qualité avec contrôle du niveau de voxel n'était ni à la portée ni au budget du département d'informatique. Les options de représentation des microstructures se limitaient principalement aux rendus numériques, qui sont utiles mais pas toujours intuitifs, surtout pour les étudiants. Tout a changé lorsque la Stratasys J55™ est devenue disponible. Elle rend la technologie PolyJet™ abordable et conviviale pour l'éducation, et elle était parfaite pour les chercheurs du Technion. Elber a immédiatement vu les utilisations potentielles de l'imprimante et des logiciels qui l'accompagnent, comme GrabCAD Voxel Print™.

"Lorsque nous avons acheté cette imprimante, nous avons examiné plusieurs autres sociétés, a-t-il déclaré. Aucune n'est en mesure de proposer ce que Stratasys offre - la technologie PolyJet est extrêmement unique." Les capacités multicolores et multi-matériaux de la Stratasys J55 ont permis aux chercheurs de concevoir et d'imprimer des modèles microstructurels impossibles à créer avec les méthodes traditionnelles. Voxel Print a permis aux chercheurs de "cartographier" des micro-éléments avec des changements de couleur continus, puis d'appliquer ces éléments de manière volumétrique à leurs modèles.

Les microstructures dans le monde réel

Certaines des recherches universitaires les plus importantes jettent les bases d'applications pratiques. Les chercheurs du Technion ont exploré plusieurs domaines qui pourraient bénéficier de microstructures imprimées en 3D.

Une application possible est celle des échangeurs de chaleur, qui sont des composants utilisés pour les fonctions de chauffage et de refroidissement dans des systèmes tels que les radiateurs et les climatiseurs. Selon la fonction spécifique, un échangeur de chaleur peut nécessiter une conception qui conduit bien la chaleur ou qui empêche le transfert de chaleur. Les échangeurs de chaleur traditionnels sont généralement des formes cylindriques ou rectilignes préfabriquées, que les concepteurs sont obligés de contourner. Avec la technologie PolyJet, il est possible de concevoir des échangeurs de chaleur personnalisés pour s'adapter à l'application ou à la conception.

Aile d'avion utilisant une composition de spline volumétrique,

Aile d'avion utilisant une composition de spline volumétrique,

Les chercheurs ont également exploré les applications des microstructures imprimées en 3D pour l'aérospatiale. Les ailes des avions doivent être solides et robustes, mais suffisamment légères pour permettre la sustentation. Les structures internes traditionnelles des ailes d'avion sont composées de longerons et de nervures pour que la structure reste légère et durable. Toutefois, cette conception signifie qu'une quantité importante de peau supporte une partie de la charge, ce qui peut entraîner un flambage - ce qui nécessite davantage de supports. L'impression 3D permet de concevoir des ailes internes poreuses qui minimisent les contraintes sur la peau et optimisent le poids.

"L'analyse a toujours été volumétrique, et nos outils de modélisation volumétrique nous permettent d'adapter les microstructures à des fins spécifiques", a déclaré Gershon. "Le fait que nous ayons une conception et une analyse qui soient volumétriques, et le fait que nous puissions maintenant imprimer en 3D des pièces volumétriques hétérogènes, est un énorme avantage. Je crois que c'est l'avenir."

L'avenir

Bien qu'une grande partie de leur exploration soit préliminaire, les chercheurs du Technion sont convaincus que les microstructures imprimées en 3D changeront la façon dont les pièces sont conçues et fabriquées dans une variété d'industries. Selon M. Elber, l'idée est encore nouvelle, mais son potentiel est énorme. "Jamais auparavant nous n'avons connu cette situation, où la technologie de fabrication était en avance sur notre conception et notre analyse", a-t-il expliqué. "Nous pouvons imprimer en 3D des objets que nous ne pouvons pas concevoir avec les systèmes de CAO commerciaux. Nous sommes impatients de voir où cela va mener nos recherches."

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