Un chercheur de l’Université d’État de l’Oregon aux Etats-Unis a contribué à créer une nouvelle approche d’impression 3D pour des matériaux à forme changeante qui ressemblent à des muscles, ouvrant la voie à des applications améliorées en robotique ainsi qu’aux dispositifs biomédicaux et énergétiques.
Les structures élastomères cristallines liquides (LCE) imprimées par Devin Roach du Collège d’ingénierie de l’OSU et ses collaborateurs peuvent ramper, se plier et se casser directement après l’impression.
« Les LCE sont en fait des moteurs souples », explique Roach, professeur adjoint de génie mécanique. « Comme ils sont souples, contrairement aux moteurs ordinaires, ils fonctionnent parfaitement avec nos corps intrinsèquement souples. Ils peuvent donc être utilisés comme dispositifs médicaux implantables, par exemple pour administrer des médicaments à des endroits ciblés, comme stents pour des interventions dans des zones ciblées ou comme implants urétraux pour aider à lutter contre l’incontinence. »
Les élastomères à cristaux liquides sont des réseaux polymères légèrement réticulés qui peuvent changer de forme de manière significative lorsqu’ils sont exposés à certains stimuli, comme la chaleur. Ils peuvent être utilisés pour transférer l’énergie thermique, provenant par exemple du soleil ou de courants alternatifs, en énergie mécanique qui peut être stockée et utilisée à la demande. Les LCE peuvent également jouer un rôle important dans le domaine de la robotique souple, a ajouté Devin Roach.
« Les robots flexibles intégrant des LCE pourraient explorer des zones dangereuses ou impropres à l’accès humain », a-t-il déclaré. « Ils se sont également révélés prometteurs dans l’aérospatiale en tant qu’actionneurs pour des systèmes automatisés tels que ceux destinés à la lutte dans l’espace lointain, au déploiement de radars ou à l’exploration extraterrestre. »
Selon Devin Roach, l’utilité fonctionnelle des élastomères cristallins liquides repose sur leur mélange d’anisotropie et de viscoélasticité.
L’anisotropie fait référence à la propriété de dépendre d’une direction, par exemple lorsque le bois est plus résistant dans le sens du fil que dans le sens transversal, et les matériaux viscoélastiques sont à la fois visqueux – comme le miel, qui résiste à l’écoulement et se déforme lentement sous l’effet de la contrainte – et élastiques, reprenant leur forme d’origine lorsque la contrainte est supprimée, comme le caoutchouc. Les matériaux viscoélastiques se déforment lentement et récupèrent progressivement leur forme.
Les propriétés de changement de forme des élastomères cristallins liquides dépendent de l’alignement des molécules au sein des matériaux. Roach et ses collaborateurs de l’Université Harvard, de l’Université du Colorado et des laboratoires nationaux Sandia et Lawrence Livermore ont découvert un moyen d’aligner les molécules à l’aide d’un champ magnétique lors d’un type d’impression 3D appelé traitement numérique de la lumière.
Également connue sous le nom de fabrication additive, l’impression 3D permet de créer des objets couche par couche. Dans le traitement numérique de la lumière, la lumière est utilisée pour durcir la résine liquide en formes solides avec précision. Cependant, l’alignement des molécules des élastomères peut s’avérer difficile.
« L’alignement des molécules est la clé pour libérer tout le potentiel des LCE et permettre leur utilisation dans des applications fonctionnelles avancées », a déclaré Devin Roach.
Devin Roach et les autres chercheurs ont fait varier l’intensité du champ magnétique et étudié la manière dont ce dernier et d’autres facteurs, comme l’épaisseur de chaque couche imprimée, affectaient l’alignement moléculaire. Cela leur a permis d’imprimer des formes complexes d’élastomères cristallins liquides qui changent de manière spécifique lorsqu’ils sont chauffés.
« Notre travail ouvre de nouvelles possibilités pour créer des matériaux avancés qui répondent aux stimuli de manière utile, conduisant potentiellement à des innovations dans de nombreux domaines », précise Devin Roach.
Dans une recherche connexe publiée dans Advanced Engineering Materials (Le lien est externe), Devin Roach a dirigé une équipe d’étudiants de l’État de l’Oregon et de collaborateurs de Sandia, Lawrence Livermore et de l’Université technique Navajo pour explorer le potentiel d’amortissement mécanique des élastomères cristallins liquides.
L’amortissement mécanique fait référence à la réduction ou à la dissipation de l’énergie des vibrations ou des oscillations dans les systèmes mécaniques, y compris les amortisseurs automobiles, les amortisseurs sismiques qui aident à protéger les bâtiments contre les tremblements de terre et les amortisseurs de vibrations sur les ponts qui minimisent les oscillations causées par le vent ou les véhicules à moteur.
Les étudiants de l’OSU Adam Bischoff, Carter Bawcutt et Maksim Sorkin ainsi que d’autres chercheurs ont démontré qu’une méthode de fabrication connue sous le nom d’impression 3D à écriture directe à l’encre peut produire des dispositifs d’amortissement mécaniques qui dissipent efficacement l’énergie sur une large gamme de taux de charge.
