Transformation de structures imprimées en 3D de formes plates à courbes — dans l'espace
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Parce qu'il est coûteux et complexe de transporter de grandes structures telles que des antennes paraboliques dans l'espace, Ivan Wu, doctorant en aérospatiale, et son conseiller, Jeff Baur, du Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, ont développé une méthode créative et efficace d'économie d'énergie pour transformer des structures 2D en structures 3D incurvées dans l'espace.
Wu a expliqué que les travaux réalisés par d'autres personnes à faible énergie avaient abouti à des formes d'une très faible rigidité, inadaptées aux applications aérospatiales.
L'étude , « Formation rapide de composites morphogènes programmables par fabrication additive et polymérisation frontale », par Ivan Wu et Jeffery Baur, est publiée dans Additive Manufacturing .
Comment fonctionne le processus de métamorphose
« Dans ce cas précis, nos collaborateurs de l'Institut Beckman ont mis au point une formule pour un système de résine pure très économe en énergie. Et nous disposons d'une imprimante 3D capable de produire des structures composites de qualité aérospatiale commerciale. Je pense que la véritable avancée a consisté à combiner ces deux éléments. »
« Nous avons utilisé une imprimante 3D à fibres de carbone continues pour imprimer des faisceaux de fibres, chaque fibre ayant environ le diamètre d'un cheveu humain », a expliqué Wu. « Lorsque l'imprimante dépose les faisceaux de fibres sur un plateau, ils sont comprimés et exposés à la lumière ultraviolette, ce qui les polymérise partiellement. »
La résine liquide à faible consommation d'énergie est moulée selon le motif en fibre de carbone imprimé, puis solidifiée. Lorsque la structure 3D est nécessaire, la résine est activée par un stimulus thermique de faible énergie qui déclenche une réaction chimique permettant sa polymérisation en une forme 3D incurvée.
Ce procédé, appelé polymérisation frontale, élimine le besoin de fours ou d'autoclaves suffisamment grands pour polymériser une antenne parabolique de taille standard. De même qu'une simple allumette peut embraser une feuille de papier ou une maison, l'énergie thermique nécessaire à l'amorçage est identique quelle que soit la taille de la structure, ce qui rend le procédé adaptable aux structures de très grande taille requises dans l'espace.
« Pour moi, le premier défi a été de résoudre le problème inverse », a déclaré Wu. « On a un modèle pour la forme 3D souhaitée, mais quel est le patron 2D à imprimer pour obtenir cette forme ? J’ai dû écrire des équations mathématiques pour décrire les formes et imprimer le patron exact. Cette étude a permis de résoudre ce problème. »
Wu a trouvé les équations et écrit le code pour programmer l'imprimante afin de déposer les faisceaux de fibres sur un plateau pour créer cinq configurations 3D différentes : un cylindre spiralé, une torsion, un cône, une selle et un plat parabolique.
« Ensemble, elles illustrent la diversité des formes que nous pouvons réaliser. Mais je pense que la plus intéressante et la plus pertinente est l'antenne parabolique, qui imite la forme lisse et incurvée nécessaire aux satellites déployables. »
Inspiration artistique et défis techniques
Wu a déclaré s'être inspiré d'une forme d'art japonaise appelée kirigami, semblable à l'origami mais qui comprend des découpes en plus des pliages.
« Je perçois la recherche comme un processus très artistique. Parfois, une idée créative surgit et on la poursuit. Ici, la forme parabolique naît en 2D, avec des découpes semblables à des pétales de fleur qui convergent toutes vers un même point. Il m'a fallu déterminer les angles de superposition. »
« Une antenne parabolique réalisée uniquement avec des pliages d'origami nécessiterait un nombre infini de pliages pour obtenir la courbure régulière requise pour la réception des signaux satellites. Dans notre cas, au lieu d'utiliser des pliages, nous obtenons une courbure régulière grâce à une flexion contrôlée par les faisceaux de fibres imprimés. »
Colonne de gauche : représentation 3D de la forme souhaitée. Colonne centrale : motif du faisceau de fibres déterminé par solution analytique ou méthodes numériques. Colonne de droite : cinq formes fabriquées par polymérisation frontale : a) cylindre en spirale d’Archimède, b) bande à torsion croissante, c) cône, d) selle et e) parabole. Crédit : Additive Manufacturing (2025). DOI : 10.1016/j.addma.2025.104911
Du fait de la nécessité de modifier la forme, l'infrastructure fibre optique de Wu nécessitait une fraction volumique de fibres très faible.
« Les structures spatiales doivent être très rigides, et plus le volume de fibres est important, plus la structure est rigide. Mais elles nécessitent beaucoup d'énergie pour se déformer et pourraient se briser en cas de forte flexion. Pour obtenir un degré de déformation élevé, nous avons besoin d'un faible rapport de volume de fibres afin qu'elles soient suffisamment flexibles pour se transformer en une forme courbe. »
L'étude a permis d'obtenir une consommation d'énergie plus faible et une rigidité accrue par rapport aux travaux antérieurs. Cependant, Wu a précisé que cette rigidité reste insuffisante pour les structures spatiales.
« Nous proposons d'utiliser les formes 3D activées comme moules pour fabriquer des structures à haute rigidité dans l'espace. On pourrait fabriquer sur Terre le matériau gélifié plat avec des faisceaux de fibres de carbone, le transporter dans l'espace et activer sa forme par une stimulation thermique. »
« Mais comme sa rigidité est insuffisante, on peut utiliser la forme 3D comme moule, en ajoutant des couches à haute rigidité, en réactivant la polymérisation frontale, puis en détachant le composite à haute rigidité qui reprend la forme du modèle initial. Nos travaux montrent que ce processus peut être répété de nombreuses fois sans endommager le moule ni déformer la forme initiale. »
Wu a indiqué que ces mêmes matériaux et procédés pourraient également être utilisés pour fournir les infrastructures nécessaires aux environnements isolés de la Terre.
https://techxplore.com/news/2025-11-morphing-3d-flat-space.html
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860425002751?via%3Dihub