Pour la première fois, Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont réussi à imprimer en 3D des matériaux composites en silicone flexibles, extensible et possèdent un comportement à mémoire de forme, une découverte qui pourrait être utilisée pour créer un amorti ajusté activé par la chaleur corporelle, comme dans un casque ou une chaussure.

Comme décrit dans leur article publié en ligne par Rapports scientifiques , en ajoutant du creux, des "micro-ballons" remplis de gaz dans de l'encre à base de silicone, les chercheurs ont conçu le matériau pour qu'il puisse être compressé ou "programmé" à une température élevée, rester dans cet état en refroidissant. Une fois réchauffé, le gaz dans les micro-ballons se dilate, provoquant le retour des structures à leur forme d'origine. Lorsqu'il est combiné avec l'impression 3D, ce comportement de mémoire de forme est souvent appelé "impression 4D, " avec la quatrième dimension étant le temps.

« Ce qui est impressionnant, c'est à quel point les structures ont pu reprendre leur forme après avoir été réchauffées, " a déclaré Amanda Wu, chercheuse au LLNL, l'auteur principal de l'article. "Nous n'avons pas vu de structure déformée, nous avons vu une structure entièrement récupérée. Parce que le réseau silicone est complètement réticulé, il tient la pièce ensemble, ainsi la structure retrouve sa forme d'origine d'une manière prévisible, façon répétable."

Dans un coup de sérendipité, les chercheurs ont accidentellement découvert le matériau en tentant de concevoir un matériau poreux hiérarchique qui se rétablirait complètement après avoir été compressé sous la chaleur, présentant ce qu'on appelle un ensemble de compression zéro. Au lieu, ils ont obtenu le résultat inverse. Sans se décourager, Les scientifiques du LLNL Ward Small et le co-chercheur principal Thomas Wilson se sont demandé ce qui se passerait s'ils réchauffaient les structures, pensant que le gaz emprisonné dans le matériau pourrait le faire se dilater à nouveau. Comme ça s'est apparu, c'est exactement ce qui s'est passé.

"Initialement, il s'agissait d'un test de vieillissement accéléré pour voir si le matériau serait utile, " a déclaré Small. " Ce matériau a pris un ensemble de compression assez important et cela nous a fait nous demander s'il était permanent. Nous n'étions pas vraiment ravis à ce sujet, mais nous avions expérimenté la mémoire de forme dans le passé et essayé de voir si elle pouvait récupérer sa forme lorsqu'elle était chauffée. Nous l'avons testé et il l'a fait."

La clé du comportement à mémoire de forme réside dans les micro-ballons en polymère intégrés dans l'encre de silicone. La fine coque polymère du micro-ballon a une température de transition vitreuse; en dessous de cette température, la coque est rigide et vitreuse et au dessus de la température, la coquille devient molle et malléable. Par conséquent, en chauffant le matériau composite au-dessus de la température de transition vitreuse de la coque, les coques en polymère des sphères se ramollissent, leur permettant d'être comprimés et de modifier leur forme d'une manière qui reste déformée et résiste à la ré-expansion de la matrice de silicone lorsqu'elle est refroidie. Une fois réchauffé, les ballons se dilatent, et la force de rappel du gaz chauffé et du silicone permet à la structure de retrouver son contour d'origine.

Le chercheur du LLNL Taylor Bryson a effectué le travail expérimental, mélanger des encres qui pourraient incorporer les micro-ballons mais ne bloqueraient pas la buse de l'imprimante 3D, et chauffer et comprimer et refroidir les échantillons imprimés pour définir leur forme, puis en réchauffant pour les dilater.

"Nous les sortions à chaud et les laissions refroidir en présence d'une force de compression et testions leur épaisseur pour mesurer la compression définie, " dit Bryson. " Ensuite, pour voir s'ils se développeraient à nouveau, on les réchaufferait, les remettre dans les fours aux mêmes températures ou plus chaudes en l'absence d'effort de compression, et voir s'ils retrouveraient leur forme. Étonnamment, nous avons obtenu près de 100 pour cent de récupération."

Les chercheurs ont imprimé leurs échantillons en utilisant un processus d'écriture à l'encre directe, où le matériau d'encre composite a été extrudé à température ambiante à partir de la buse de l'imprimante pour former des structures ressemblant à des tas de bois avec une porosité et une architecture contrôlées. En étant capable d'imprimer en 3D le matériau, les chercheurs ont dit, il devient plus léger et fonctionnel, et ils peuvent exercer un meilleur contrôle sur sa géométrie et sa composition 3D globales.

Ce qui est unique dans leur approche, les chercheurs ont dit, est que le composant à mémoire de forme est intégré au matériau, ainsi les micro-ballons pourraient être utilisés pour intégrer la mémoire de forme dans n'importe quel matériau de base polymère, y compris les matériaux extensibles tels que les élastomères.

« Historiquement, les polymères à mémoire de forme ont tendance à être très rigides, " a déclaré le scientifique des matériaux Eric Duoss, un co-chercheur principal sur le projet. "En incorporant des micro-ballons dans une matrice caoutchouteuse, nous avons créé un composite doux et extensible, même en dessous de la température de transition vitreuse des micro-ballons, qui est un matériau à mémoire de forme avec des qualités auparavant inaccessibles. Cela s'est avéré très fortuit."

Les chercheurs du laboratoire ont déposé une demande de brevet pour le matériau. Parce qu'il peut être imprimé en 3D dans une forme nette arbitraire et transformé en une structure très poreuse avec des cellules ouvertes et fermées, les chercheurs ont déclaré qu'il pourrait être utile pour un rembourrage activé thermiquement qui est hautement réglable et personnalisable. Par exemple, en modulant la température de transition vitreuse du micro-ballon en dessous de la température corporelle, le matériau peut être comprimé à chaud et refroidi, puis conservé à une température inférieure à la température du corps. Lorsqu'il est porté, il s'étendrait pour tenir la tête dans un casque ou un pied dans une chaussure. Dans le cas où la température de transition vitreuse est légèrement supérieure à la température corporelle, le porteur pourrait chauffer le matériau dans un four ou une casserole d'eau chaude, puis ajustez-le, similaire au processus d'ajustement d'un protège-dents.

"Vous pouvez l'utiliser pour tout matériau d'absorption d'énergie mécanique personnalisé, " a déclaré Duoss. " Ce qui est bien, c'est que si le porteur grandit un peu et veut réajuster le matériau, ils le chauffent juste pour le dilater, mettez-le et laissez-le refroidir pour personnaliser à nouveau l'ajustement. C'est réversible. C'est vraiment un tout nouveau matériau, et nous en sommes ravis. C'est un matériau qui devrait avoir un grand potentiel commercial et devrait être mûr pour le transfert de technologie vers l'industrie. »

Wu a déclaré que le processus pourrait s'étendre pour produire des pièces beaucoup plus grandes pour des applications d'emballage et de transport. En outre, le matériau n'aurait pas nécessairement besoin d'être imprimé en 3D. Les micro-ballons peuvent être incorporés dans tout type de matériau de base et moulés ou coulés, Wu a dit, mais le matériau résultant peut ne pas avoir la même compressibilité que les structures poreuses imprimées en 3D.