Une nouvelle méthode produit une structure imprimable qui commence à se replier dès qu'elle est décollée de la plate-forme d'impression. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
L'impression 3D étant devenue une technologie grand public, l'industrie et les chercheurs universitaires ont étudié des structures imprimables qui se replient en formes tridimensionnelles utiles lorsqu'elles sont chauffées ou immergées dans l'eau.
Dans un article paru dans le journal de l'American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces , des chercheurs du Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL) du MIT et leurs collègues rapportent quelque chose de nouveau :une structure imprimable qui commence à se replier dès qu'elle est décollée de la plate-forme d'impression.
L'un des gros avantages des appareils qui se replient automatiquement sans aucun stimulus extérieur, disent les chercheurs, est qu'ils peuvent impliquer une plus large gamme de matériaux et des structures plus délicates.
"Si vous souhaitez ajouter de l'électronique imprimée, vous allez généralement utiliser des matières organiques, parce qu'une majorité d'électronique imprimée en dépend, " dit Subramanian Sundaram, un étudiant diplômé du MIT en génie électrique et informatique et premier auteur de l'article. « Ces matériaux sont souvent très, très sensible à l'humidité et à la température. Donc, si vous avez ces composants électroniques et ces pièces, et vous voulez initier des plis en eux, vous ne voudriez pas les tremper dans l'eau ou les chauffer, car alors votre électronique va se dégrader."
Pour illustrer cette idée, les chercheurs ont construit un prototype de dispositif imprimable à pliage automatique qui comprend des fils électriques et un "pixel" en polymère qui passe de transparent à opaque lorsqu'une tension lui est appliquée. Le dispositif, qui est une variante du "goldbug imprimable" que Sundaram et ses collègues ont annoncé plus tôt cette année, commence par ressembler à la lettre « H ». Mais chacune des pattes du H se replie dans deux directions différentes, produire une forme de table.
Ce clip montre un exemple de pli accéléré. Crédit :om Buehler/CSAIL
Les chercheurs ont également construit plusieurs versions différentes de la même conception de charnière de base, qui montrent qu'ils peuvent contrôler l'angle précis auquel un joint se plie. Dans les essais, ils ont redressé de force les charnières en les attachant à un poids, mais quand le poids a été enlevé, les charnières ont repris leurs plis d'origine.
A court terme, la technique pourrait permettre la fabrication sur mesure de capteurs, affiche, ou des antennes dont la fonctionnalité dépend de leur forme tridimensionnelle. Plus long terme, les chercheurs envisagent la possibilité de robots imprimables.
Sundaram est rejoint sur le papier par son conseiller, Wojciech Matusik, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique (EECS) au MIT; Marc Baldo, également professeur agrégé de l'EECS, qui se spécialise dans l'électronique organique; David Kim, un assistant technique dans le groupe de fabrication informatique de Matusik; et Ryan Hayward, professeur de science et d'ingénierie des polymères à l'Université du Massachusetts à Amherst.
Soulagement du stress
La clé de la conception des chercheurs est un nouveau matériau d'encre d'imprimante qui se dilate après s'être solidifié, ce qui est inhabituel. La plupart des matériaux d'encre d'imprimante se contractent légèrement à mesure qu'ils se solidifient, une limitation technique que les concepteurs doivent souvent contourner.
Les périphériques imprimés sont construits en couches, et dans leurs prototypes, les chercheurs du MIT déposent leur matériau en expansion à des emplacements précis dans les quelques couches supérieures ou inférieures. La couche inférieure adhère légèrement à la plate-forme de l'imprimante, et cette adhérence est suffisante pour maintenir l'appareil à plat pendant que les couches s'accumulent. Mais dès que l'appareil fini est décollé de la plate-forme, les joints fabriqués à partir du nouveau matériau commencent à se dilater, plier l'appareil dans la direction opposée.
Comme de nombreuses avancées technologiques, la découverte du matériau par les chercheurs du CSAIL était un accident. La plupart des matériaux d'impression utilisés par le groupe de fabrication informatique de Matusik sont des combinaisons de polymères, de longues molécules constituées de répétitions en chaîne de composants moléculaires uniques, ou des monomères. Le mélange de ces composants est une méthode pour créer des encres d'imprimante avec des propriétés physiques spécifiques.
Tout en essayant de développer une encre qui a produit des composants imprimés plus flexibles, les chercheurs du CSAIL en ont trouvé par inadvertance un qui s'est légèrement dilaté après s'être durci. Ils ont immédiatement reconnu l'utilité potentielle des polymères en expansion et ont commencé à expérimenter des modifications du mélange, jusqu'à ce qu'ils arrivent à une recette leur permettant de construire des joints qui se dilateraient suffisamment pour plier un appareil imprimé en deux.
Pourquoi et pourquoi
La contribution de Hayward à l'article était d'aider l'équipe du MIT à expliquer l'expansion du matériel. L'encre qui produit l'expansion la plus puissante comprend plusieurs longues chaînes moléculaires et une chaîne beaucoup plus courte, constitué du monomère acrylate d'isooctyle. Lorsqu'une couche d'encre est exposée à la lumière ultraviolette - ou "durcie, " un processus couramment utilisé dans l'impression 3D pour durcir les matériaux déposés sous forme de liquides - les longues chaînes se connectent les unes aux autres, produisant un fourré rigide de molécules enchevêtrées.
Des plantes comme le Jewelweed (Impatiens capensis ; ou communément, spotted touch-me-not) utilisent ingénieusement le stress pour la dispersion balistique de leurs graines. La plante stocke de l'énergie dans ses gousses sous forme de stress inhérents en contrôlant l'hydratation des tissus. Lorsqu'on le touche doucement, ces gousses explosent et se recroquevillent pour lancer leurs graines. En utilisant un concept similaire, S. Sundaram et ses collègues démontrent l'utilisation de l'impression 3D pour fabriquer des composites électroniques plats avec des contraintes résiduelles dans des régions spécifiques. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Lorsqu'une autre couche du matériau est déposée sur la première, les petites chaînes d'acrylate d'isooctyle en haut, la couche liquide s'enfonce dans la partie inférieure, couche plus rigide. Là, ils interagissent avec les chaînes plus longues pour exercer une force d'expansion, auquel l'adhérence à la plate-forme d'impression résiste temporairement.
Les chercheurs espèrent qu'une meilleure compréhension théorique de la raison de l'expansion du matériau leur permettra de concevoir des matériaux adaptés à des applications spécifiques, y compris des matériaux qui résistent à la contraction de 1 à 3 % typique de nombreux polymères imprimés après durcissement.
"Ce travail est passionnant car il permet de créer une électronique fonctionnelle sur des objets 3D, " dit Michael Dickey, professeur de génie chimique à la North Carolina State University. "Typiquement, le traitement électronique se fait dans un plan, Mode 2D et a donc besoin d'une surface plane. Le travail ici fournit un itinéraire pour créer de l'électronique en utilisant des techniques planaires plus conventionnelles sur une surface 2D, puis les transformer en une forme 3D, tout en conservant la fonction de l'électronique. La transformation se produit par une astuce astucieuse pour créer du stress dans les matériaux pendant l'impression."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
