Impression 3D bio-inspirée : une conception architecturale crée des structures efficaces
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L’impression 3D a été introduite pour la première fois en 1985, ce qui a marqué un tournant majeur pour l’industrie manufacturière. En plus d’être moins chère que les technologies de fabrication traditionnelles, elle promettait également la possibilité de personnaliser les conceptions et de fabriquer des prototypes à la demande. Bien que sa technologie soit encore considérée comme relativement nouvelle, la demande pour les méthodes d’impression 3D s’est accélérée dans tous les secteurs au cours de la dernière décennie, allant de l’aérospatiale et de la défense à la médecine.
Cependant, Pablo Valdivia y Alvarado, professeur associé à l’Université de technologie et de design de Singapour (SUTD), estime qu’il reste encore du chemin à parcourir avant que l’impression 3D ne puisse atteindre son plein potentiel. Dans l’impression 3D traditionnelle, une buse est utilisée pour imprimer le matériau couche par couche, et le chemin emprunté par la buse est appelé parcours d’outil.
Cependant, l'impression couche par couche n'est pas compatible avec des matériaux tels que le silicone, les époxydes et les uréthanes, qui durcissent lentement et prennent plus de temps. Ces types de matériaux sont souvent utilisés pour créer des métamatériaux mécaniques souples qui, à leur tour, sont utilisés pour des structures légères inspirées de la nature, telles que des treillis et des structures en toile. Les processus basés sur le dépôt dans l'impression 3D, tels que l'écriture directe à l'encre, pourraient fonctionner avec ces matériaux pour créer de telles structures, mais ils souffrent de parcours d'outils non optimisés.
« Ces problèmes entraînent des temps d'impression plus longs et sont encore exacerbés par les comportements dynamiques des matériaux à l'état non durci », explique le professeur agrégé Valdivia y Alvarado. Il reste donc difficile d'imprimer en 3D des structures bio-inspirées complexes.
Goutte d'eau sur un réseau de cils imprimés en 3D hiérarchisé et structuré. Crédit : SUTD
Pour relever ce défi, le professeur associé Valdivia y Alvarado et son équipe du SUTD ont proposé une approche de conception architecturée , qu'ils ont publiée dans l'article « Conception architecturale et fabrication de métamatériaux mécaniques souples » publié dans Advanced Intelligent Systems .
En étudiant spécifiquement la manière dont l'écriture à l'encre directe peut être utilisée pour fabriquer des structures légères, l'équipe a d'abord conçu une méthode pour optimiser les parcours d'outils. En décomposant la conception 3D de l'objet en points et formes simples, l'équipe a ensuite pu utiliser des conceptions de parcours d'outils segmentés et continus pour améliorer le parcours d'outils global. Grâce à cela, l'équipe a pu générer des parcours d'outils contenant moins de démarrages et d'arrêts inutiles.
Pour tester cette approche, l’équipe a imprimé plusieurs types de structures bioinspirées en utilisant cette méthode pour générer des parcours d’outils optimisés. L’équipe a d’abord cherché à ajuster les propriétés des matériaux d’impression pour améliorer encore leur adéquation à l’écriture à l’encre directe. En sélectionnant trois matériaux en silicone disponibles dans le commerce, puis en ajoutant un modificateur connu sous le nom de Thivex, l’équipe a créé et caractérisé neuf combinaisons de matériaux distinctes qui étaient plus adaptées à l’écriture à l’encre directe .
Les chercheurs ont ensuite procédé à l'impression 3D de cils, de toiles, de structures en forme de feuille et de treillis en utilisant leur approche proposée, et ont testé les fonctionnalités des structures dans différents environnements. Pour les cils imprimés en 3D, l'équipe a constaté que leur ajout aux ventouses améliorait la force d'arrachement de ces dernières ; dans le même temps, le treillis imprimé en 3D s'est avéré être une structure efficace d'absorption d'énergie, démontrant une réduction des forces maximales d'impact jusqu'à 85 %.
Actionneur Pneunet en forme de feuille de fougère imprimé en 3D. Crédit : SUTD
Grâce à ces résultats, l’équipe est optimiste quant au développement futur des méthodes d’impression 3D basées sur le dépôt pour l’impression de structures bioinspirées.
« Bien que cette approche soit encore en phase de recherche, son potentiel pour des conceptions personnalisées et performantes la rend particulièrement pertinente pour les industries axées sur la robotique, les technologies portables et les métamatériaux avancés », a déclaré le professeur agrégé Valdivia y Alvarado.
Il a également expliqué que les procédés de fabrication additive basés sur le dépôt pourraient trouver une place dans les applications avancées, complétant les méthodes traditionnelles qui resteraient essentielles pour produire des structures standardisées et à haut volume.
Pour l'instant, l'équipe se concentre sur l'amélioration de l'efficacité de mise à l'échelle de sa méthode, la réduction de ses coûts et l'extension de la polyvalence des matériaux aux environnements industriels. Pour ce faire, l'équipe prévoit d'explorer l'impression multi-matériaux qui permettrait d'imprimer différents matériaux, créant ainsi ce que l'équipe a baptisé « métamatériaux artificiels ». En outre, l'équipe étudiera également comment les techniques d'apprentissage automatique peuvent permettre aux utilisateurs d'impression 3D de spécifier des mesures de performance pour les conceptions de métamatériaux qu'ils souhaitent générer.
« Ces avancées permettront d'exploiter encore davantage le potentiel des métamatériaux imprimés en 3D pour une large gamme d'applications, notamment la robotique souple et les équipements de protection portables », a déclaré le professeur agrégé Valdivia y Alvarado.
https://techxplore.com/news/2025-01-bioinspired-3d-architected-efficient.html