Les nouvelles techniques d’impression et de fabrication 3D permettent un meilleur contrôle du comportement des matériaux énergétiques, améliorant ainsi la sécurité.
Monique Monique McClain, professeure adjointe de génie mécanique à l’université Purdue, ajuste les circuits qui alimentent ses imprimantes 3D de pointe. (Photo : John Underwood, université Purdue)
Tout comme la préparation d’un gâteau parfait nécessite de suivre une liste d’ingrédients et d’instructions, la fabrication de matériaux énergétiques — explosifs, produits pyrotechniques et propergols — exige des formulations, des conditions et des procédures précises pour garantir leur sécurité et leur bon fonctionnement.
Parce que de petites modifications ou des changements environnementaux peuvent altérer considérablement le fonctionnement des matériaux énergétiques, Monique McClain, ingénieure à l’université Purdue, développe des outils et des méthodes de pointe pour contrôler le comportement de ces matériaux tout au long du processus de fabrication et jusqu’au niveau des particules.
Monique McClain, professeure adjointe de génie mécanique à l’université Purdue, est spécialisée dans les étapes de fabrication en amont, notamment la sélection de liants aux propriétés spécifiques pour agglomérer les particules énergétiques et la détermination de leur mélange pour obtenir la formulation finale. Ses recherches portent sur l’influence de la fabrication sur la structure et les propriétés mécaniques d’un matériau énergétique et, par conséquent, sur l’impact de ces modifications sur ses performances et sa sensibilité.
« L’historique de fabrication d’un matériau énergétique, du début à la fin, détermine fortement son comportement lors de la combustion ou de la détonation », a déclaré Monique McClain. « Nous veillons à ce que chaque étape soit adaptée au matériau et à son utilisation prévue afin d’obtenir un produit final conforme à nos attentes. »
Une grande partie des travaux de Monique McClain porte sur la fabrication additive, ou impression 3D, de matériaux énergétiques. Traditionnellement, ces matériaux sont fabriqués par des procédés tels que le moulage ou l’usinage, qui privilégient l’efficacité et la production à grande échelle. Cependant, si ces méthodes sont idéales pour la production en grande série, la personnalisation s’avère complexe, ce qui limite l’innovation et compromet les performances optimales.
La fabrication additive, en revanche, offre aux chercheurs la liberté d’expérimenter avec des géométries complexes et d’ajuster des propriétés spécifiques telles que la vitesse de combustion et la forme de l’explosion.
Par exemple, Monique McClain et son équipe de recherche conçoivent des défauts intentionnels — appelés pores — afin d’augmenter ou de diminuer le risque d’inflammation lorsque des matériaux sont soumis à diverses conditions telles que le frottement, les chocs ou les températures extrêmes. La fabrication additive rend cela possible car les chercheurs peuvent personnaliser les buses d’une imprimante 3D et la programmer pour imprimer des formes et des motifs spécifiques.
« Les pores et les défauts sont souvent inévitables, mais nous pouvons contrôler leur apparition et leur emplacement », a déclaré Monique McClain. « En nous concentrant sur la microstructure de ces matériaux, nous pouvons sélectionner délibérément la taille des particules ou les procédés de compactage afin d’obtenir des distributions de pores optimales qui permettent d’obtenir les comportements souhaités. »
La fabrication additive facilite également l’expérimentation avec différents types de matériaux. Outre ses travaux sur les pores, Monique McClain étudie l’adhérence des particules énergétiques à divers liants grâce au procédé d’impression 3D et la fabrication de propergols composés de plusieurs matériaux aux caractéristiques variées.
Dans une étude publiée au printemps dernier, Monique McClain et son équipe ont examiné l’adhérence entre deux polymères aux propriétés mécaniques différentes — un thermoplastique rigide et un élastomère souple — combinés en une même structure. Ils ont constaté que la texture de surface imprimée en 3D et le type de thermoplastique influaient fortement sur la qualité du mélange et de la cohésion des deux matériaux.
« Cette étude propose un cadre et une méthode pour étudier l’adhérence de matériaux dissemblables. C’est important car il n’existait jusqu’à présent aucun guide de ce type, et donc peu de données, sur ce sujet », a déclaré Monique McClain. « La possibilité d’imprimer des dispositifs énergétiques composés de plusieurs matériaux nous offre encore plus d’options pour contrôler les comportements et améliorer la sécurité. »
Bien que l’impression 3D représente une part importante du travail de Monique McClain, elle explore également comment améliorer les méthodes de fabrication plus traditionnelles.
Monique McClain a mis au point un procédé, actuellement en instance de brevet, de fabrication d’une poudre de moulage explosive à base de polymères (PBX) qui permet de gagner du temps, d’éliminer les risques potentiels et de réduire les déchets de production. Monique McClain a divulgué cette technologie au Bureau de commercialisation des technologies de Purdue Innovates , qui a déposé une demande de brevet auprès de l’Office américain des brevets et des marques (USPTO) afin de protéger la propriété intellectuelle.
La méthode consiste à mélanger des agents énergétiques à un liant partiellement durci avant le compactage dans un moule. Monique McClain a déterminé le temps optimal – environ huit heures – pendant lequel le liant devient suffisamment solide pour empêcher les fuites lors du compactage, sans pour autant durcir au point de devenir cassant et de se fissurer.
« Notre objectif était de proposer une méthode reproductible et adaptable pour la fabrication de composites énergétiques solides, comme le PBX, présentant des propriétés mécaniques et chimiques uniformes », a déclaré Monique McClain. « Nous avons réussi à mettre au point une série d’étapes simplifiées permettant aux chercheurs d’apporter de légers ajustements en fonction de leurs objectifs pour le produit final. »
Bien que le respect des étapes appropriées du processus de fabrication des produits énergétiques contribue à garantir un produit final sûr et bien conçu, les conditions externes influencent également ses performances.
Selon Monique McClain, des facteurs tels que la température ambiante peuvent affecter considérablement l’imprimabilité et le comportement d’un matériau.
« Le contrôle de l’environnement est bien plus important que ce que beaucoup de gens imaginent », a déclaré Monique McClain. « On pourrait imprimer le même mélange deux fois dans la même journée et le résultat pourrait être totalement différent si la température ou le taux d’humidité de la pièce changeaient. »
En définitive, Monique McClain prône une approche holistique de la fabrication plutôt qu’une approche dictée par le progrès technologique. Elle souhaite que les chercheurs évitent de forcer l’adaptation des matériaux à une machine ou une méthode particulière et qu’ils s’intéressent plutôt aux géométries et aux propriétés nécessaires pour obtenir l’effet désiré.
« Pour obtenir une structure interne complexe, la fabrication additive est la solution idéale. En revanche, pour un mélange très dense ou une grande quantité de matériau, les méthodes conventionnelles sont souvent plus appropriées. Afin de combiner les avantages des deux technologies, nous pouvons également intégrer le moulage et l’usinage à l’impression 3D », a déclaré Monique McClain. « Si nous maîtrisons chaque étape du processus, de la sélection des matériaux jusqu’à leur conditionnement et leur stockage, nous serons en mesure de faire le choix le plus judicieux et le plus sûr. »