Une tête d’impression 3D polymorphe pour piloter l'alignement des fibres dans les composites

Des chercheurs de l’université du Maryland ont mis au point une tête d’impression reconfigurable pour l’impression des composites fibres courtes. A la clé, la variation de l'alignement des fibres au cours de la dépose. Une innovation qui pourrait permettre d’apporter localement plus de fonctionnalités aux pièces réalisées en FDM.

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Une tête d’impression 3D polymorphe pour piloter l'alignement des fibres dans les composites
Cette tête d'impression 3D mise au point par l'Université du Maryland, permet de contrôler l'alignement des fibres au coeur de la matière

Et si les imprimantes 3D, en plus de contrôler la dépose couche par couche du matériau, étaient capables de contrôler la structure interne de celui-ci ? Cette idée est à l’origine des travaux d’une équipe de chercheurs de l’Université du Maryland (UMD), qui a conçu une tête d’impression polymorphe pour les machines à dépôt de fil de polymère fondu (FDM). Cette innovation, qui a récemment fait l’objet d’un article dans le magazine Advanced Materials Technologies, permet de maitriser l’alignement des fibres dans un filament de matériau composite pour modifier localement les propriétés d’une pièce réalisée en fabrication additive.

Depuis quelques années, l’impression 3D lorgne de plus en plus vers la mise en œuvre de matériaux complexes pour accroître les fonctionnalités des pièces. Les polymères chargés de fibres courtes sont particulièrement intéressants, notamment pour améliorer la rigidité du matériau, sa conductivité électrique ou encore favoriser certaines comportements mécaniques sous certaines conditions.

La maitrise de l’orientation des fibres au sein de la matière joue un rôle majeur pour en contrôler les propriétés. Les technologies actuelles de fabrication additive sont limitées dans ce domaine : l’impression FDM traditionnelle s’appuie sur des têtes ne pouvant déposer les fibres que de façon alignée, dans le sens de dépose de la matière.

Une tête pour quatre actuateurs

L’équipe de l’UMD a conçu une tête d’impression innovante qui, en modifiant la forme de sa buse d’extrusion, est capable de déposer des fibres de manière non alignée, puis de revenir à une orientation classique.

Elle s’appuie pour cela sur quatre actionneurs latéraux, disposés de part et d’autres de la buse d’extrusion. Conçus dans un matériau souple, ils peuvent être gonflés grâce à une pompe pneumatique jusqu’à une pression de 300 kPa. Ces actionneurs, en gagnant en volume, appuient sur le canal d’extrusion - également conçu dans un matériau souple – et reconfigurent la forme de celui-ci de forme.


En jouant sur la pression dans les actuateurs latéraux, il est possible de modifier la géométrie du canal d'extrusion, ainsi que l'alignement des fibres au sein de la matière.

En rétrécissant la buse, les fibres se réorganisent mécaniquement à l’intérieur du filament de matière et se positionnent de manière non alignée. Pour revenir à l’état d’origine du matériau, il suffit de réduire la pression dans les actuateurs. La buse d’extrusion retrouve sa géométrie de départ et les fibres sont de nouveau alignées.

Cette tête d’impression d’un genre nouveau est particulièrement intéressante pour la réalisation de pièces dans lesquelles on souhaite combiner des propriétés isotropiques et anisotropiques sans utiliser deux matériaux différents.

L’impression 4D en ligne de mire

Pour démonter leur concept, les chercheurs ont produit une pièce selon le principe de l’impression 4D. Cette variante de l’impression 3D consiste à fabriquer une pièce dont la géométrie et/ou les propriétés sont modifiés dans le temps ou par son environnement.

L’équipe de l’UMD a travaillé à la réalisation d’un objet constitué de microfibres de carbone incluses dans une matrice en hydrogel. Ce matériau se caractérise par un gonflement lorsqu’il est plongé dans l’eau.

Lors de cet essai, les chercheurs ont pu noter que la proportion de fibres alignées diminue à partir d’une pression de 100 kPa dans les actuateurs, amorçant ainsi la transition d’un matériau anisotrope vers un matériau isotrope.

La pièce en hydrogel, constituée de zones isotropes et anisotropes, a ensuite été plongée dans l’eau pour en observer le gonflement. Dans les parties de la pièce où le matériau n’a pas subi de modification lors de la dépose, le gonflement de l’hydrogel suivait le sens des fibres. A contrario, le gonflement dans l’eau adoptait un comportement isotrope au niveau des parties où la tête d’impression avait déposé les fibres de façon non alignée. Cette expérience a permis de valider que la pièce, bien que composée d’un même matériau, possédait des propriétés différentes en fonction de l’alignement des fibres.

La découverte de l’UMD ouvre la voie à des matériaux composites imprimés en 3D plus fonctionnels et défriche de nouveaux modes de fabrication pour l’impression 4D.

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