Impression de LCP thermotropes hiérarchiques à l'aide de la modélisation par dépôt fusionné. a) de courtes chaînes polymères en forme de bâtonnets formées par un copolymère statistique aromatique constitué des monomères rigides acide p-hydroxybenzoïque et acide 2-hydroxy-6-naphtoïque, b) les tiges de polymère rigides et imparfaitement orientées s'alignent le long d'un même directeur n dans la masse fondue, désaligner θ vers le directeur pour former un domaine ordonné nématiquement, c) la masse quasi-isotrope du polymère a été formée via des domaines nématiques localement alignés avec des directeurs orientés aléatoirement, d) lors de l'extrusion à travers la buse chauffée (à température TN de diamètre dN), les directeurs ont été soumis à des forces de cisaillement d'allongement qui peuvent réarranger les polymères dans la masse fondue et aligner les directeurs le long de la direction d'extrusion, e) une fois extrudé, le matériau a commencé à perdre son orientation en même temps que le front de solidification a gelé l'ordre nématique à placer, en partant de la surface. Les effets résultants ont formé une structure noyau-coque avec une coque très alignée d'épaisseur λN, f) le dépôt de matériau sur une surface à une hauteur h a favorisé un alignement supplémentaire du directeur dans la direction d'impression pour former une structure à noyau avec une épaisseur de peau différente en raison de vitesses de refroidissement distinctes pour l'air, substrat en verre et polymère. [THB :température du lit/substrat chauffé; TRT :température de l'environnement (température ambiante); VE :vitesse d'extrusion; VP :vitesse d'impression; w :largeur d'impression; A :épaisseur de peau alignée à l'air; λH :épaisseur de peau alignée sur le lit/substrat chauffé], g, h) les extrémités de chaîne peuvent se réticuler chimiquement par recuit thermique pour augmenter le transfert de contrainte de poids moléculaire entre les filaments. Crédit: Lettre Nature doi:10.1038/s41586-018-0474-7.
Les matériaux biologiques allant de l'os à la soie d'araignée et au bois sont des composites de fibres légers disposés dans une structure hiérarchique complexe, formé par auto-assemblage dirigé pour démontrer des propriétés mécaniques exceptionnelles.
Lorsque de tels matériaux rigides et légers bioinspirés sont généralement développés pour des applications dans les avions, automobiles et implants biomédicaux, leur fabrication nécessite des procédés de fabrication à forte intensité d'énergie et de main-d'œuvre. Les matériaux fabriqués présentent également des caractéristiques de rupture fragile avec difficulté à façonner et à recycler, en contraste frappant avec les propriétés mécaniques de la nature. La fabrication existante de structures légères à base de polymères est limitée à l'impression 3D, avec une résistance mécanique et une orientation médiocres, tandis que les polymères rigides hautement orientés sont limités à la construction de géométries simples. Dans un effort pour combiner la liberté de mise en forme structurelle avec l'orientation moléculaire, L'impression 3D de polymères à cristaux liquides a récemment été exploitée. Bien que des effets de morphing de forme aient été atteints, le module de Young des élastomères souples était inférieur à celui des fibres synthétiques à cristaux liquides haute performance en raison de leur structure moléculaire.
Pour exploiter pleinement la liberté de mise en forme de l'impression 3D et les propriétés mécaniques favorables des polymères à cristaux liquides (LCP) à orientation moléculaire, une équipe de scientifiques du Département des Matériaux, ETH Zurich, a proposé une nouvelle approche. La stratégie a suivi deux principes de conception qui sont utilisés dans la nature pour former des matériaux biologiques résistants. Initialement, l'anisotropie a été obtenue dans le processus d'impression via l'auto-assemblage de l'encre LCP le long du chemin d'impression. Après, La capacité de mise en forme complexe offerte par le processus d'impression 3D a été exploitée pour adapter la rigidité et la résistance locales de la structure en fonction des conditions de charge environnementales. Dans l'étude, Silvan Gantenbein et ses collègues ont démontré une approche pour générer des poids légers en 3D, des structures recyclables avec une architecture hiérarchique et des géométries complexes pour une rigidité et une ténacité sans précédent. Les résultats sont maintenant publiés dans La nature .
Les caractéristiques du nouveau matériau découlent de l'auto-assemblage de molécules de polymère à cristaux liquides dans des domaines hautement orientés, obtenu lors de l'extrusion de la matière première. L'orientation des domaines moléculaires avec le chemin d'impression a renforcé la structure polymère pour répondre aux contraintes mécaniques attendues. Les résultats ont conduit au développement de matériaux dotés d'une résistance et d'une ténacité supérieures aux polymères imprimés en 3D de pointe, comparable aux composites légers les plus performants construits jusqu'à présent. L'étude a démontré la capacité de combiner l'impression 3D descendante avec le contrôle moléculaire ascendant de l'orientation du polymère, ouvrant la possibilité de concevoir et de fabriquer librement des structures qui contournent les restrictions typiques du processus de fabrication existant.
Par structure, les segments moléculaires rigides des polyesters thermotropes aromatiques pourraient s'auto-assembler en domaines nématiques à des températures supérieures à la température de fusion du matériau. L'extrusion de polymère fondu à travers la buse de l'imprimante 3D a donné lieu à des champs d'écoulement de cisaillement et d'extension qui ont aligné les domaines nématiques dans le sens de l'écoulement. Un gradient de température se forme ensuite entre la surface froide du filament et son intérieur chaud pour un refroidissement rapide en surface, provoquant une solidification dans l'agencement aligné sur l'écoulement. Les chaînes de polymère présentes à l'intérieur du filament ont subi un refroidissement plus lent pour se réorienter, entraîné par le mouvement thermique. Par conséquent, les filaments extrudés possédaient une structure noyau-enveloppe dans laquelle une peau très alignée enfermait un noyau moins orienté. L'épaisseur de la peau dépendait du diamètre du filament et de la température de fonctionnement.
Les propriétés du filament LCP sont en corrélation avec les conditions d'impression, a) L'image de microscopie électronique à balayage en fausses couleurs du filament vertical testé en traction confirme une structure noyau-coque. Le noyau de la fibre est encore intact, ce qui indique que la coque du LCP est la phase la plus rigide, b) la microscopie à lumière polarisée d'une section transversale de 100 µm confirme la présence de la structure cœur-coquille dans les filaments verticaux (b) et horizontaux (c) comme indiqué par l'illumination plus intense de la peau des filaments imprimés par rapport au coeur, d) Les mesures de diffraction des rayons X confirment une fraction plus élevée de polymères orientés dans des échantillons plus minces. Le module des jeunes a ensuite été calculé pour les échantillons dans différentes conditions. Crédit: Lettre Nature doi:10.1038/s41586-018-0474-7.
L'effet des paramètres d'impression sur l'architecture cœur-coquille finale a été déterminé à l'aide d'un simple modèle analytique de transfert de chaleur. Les auteurs ont utilisé des expériences de microscopie optique et de diffusion des rayons X pour confirmer la structure de la peau fortement alignée. Les filaments cœur-coquille ont démontré une résistance mécanique et un module d'élasticité importants, contrairement aux études précédentes qui utilisaient la modélisation des dépôts de fusion (FDM). Le module de Young du matériau reposait sur la production de filaments plus fins que le diamètre de la buse pour une rigidité et une résistance améliorées des matériaux imprimés. Facteurs supplémentaires, y compris la température de fabrication, hauteur de couche, les réticulations moléculaires et le temps de recuit ont affecté le module de Young des matériaux imprimés.
Les scientifiques ont observé de multiples pics de contrainte pour les mesures de contrainte-déformation lors de la caractérisation des matériaux qui ressemblaient à des mécanismes de durcissement de matériaux biologiques tels que l'os. Cela a été crédité au processus de traitement thermique pour améliorer les réticulations entre les filaments pour le transfert de contrainte; prévention du délaminage grâce à des mécanismes d'arrêt des fissures. On pensait que la ténacité élevée des stratifiés recuits provenait de la réticulation hiérarchique des macromolécules et des filaments.
La construction du matériau a permis l'auto-assemblage et les stratégies de réticulation macromoléculaire hiérarchique via la fabrication additive couche par couche pour reproduire les principes de conception bio-inspirés. Des stratifiés haute performance avec une résistance plus élevée et un module de Young sans perte d'amortissement ont été obtenus en ajustant l'orientation des fibres pour correspondre au mieux aux lignes de contrainte dans toute la structure chargée mécaniquement. Le produit qui en a résulté a démontré des caractéristiques sans précédent dans les matériaux légers.
Caractérisation des propriétés mécaniques et de la géométrie complexe des stratifiés et pièces LCP imprimés en 3D :a) réponse mécanique sous tension détectée pour un exemple de plaque stratifiée LCP avec un trou central pour mettre en évidence les propriétés améliorées d'une architecture filamenteuse conçue pour suivre les lignes de contrainte développées au sein le matériel chargé, b) des cartes de déformation en trou ouvert mesurées par corrélation d'images numériques juste avant la rupture, c) Diagrammes d'Ashby démontrant la rigidité spécifique et les propriétés de résistance spécifique (à gauche) et d'amortissement (à droite) des LCP par rapport à d'autres homologues isotropes ainsi qu'à d'autres polymères de pointe ou matériaux composites renforcés (σ :résistance ; ρ :densité; ABS :acrylonitrile butadiène styrène; CFRP :polymère renforcé de fibres de carbone; GFRP :polymère renforcé de fibres de verre; PEEK :polyéther éther cétone; PLA :acide polylactique), ré, e) des exemples de pièces LCP imprimées en 3D avec des géométries d'architecture de fibres complexes :d) une structure de type Bouligand résistante aux chocs avec un agencement de contreplaqué torsadé de fibres imprimées et e) un implant biomédical avec une amélioration de roulement locale où les lignes d'impression ont été programmées pour suivre la direction de contrainte principale autour des trous. Crédit: Lettre Nature doi:10.1038/s41586-018-0474-7.
Les LCP imprimés ont dépassé les types de matériaux existants, notamment les polymères renforcés et les composites imprimés en fibres continues pour correspondre à la rigidité et à la résistance des polymères renforcés de fibres de carbone. Les caractéristiques supplémentaires du processus comprenaient la recyclabilité, fabrication automatisée et empreinte carbone réduite. Les techniques d'impression 3D et la technologie additive proposée ont permis la production de géométries complexes spécifiques à l'application. Les auteurs envisagent qu'il sera possible d'atteindre des niveaux inégalés de complexité structurelle hiérarchique pour les matériaux légers en combinant un contrôle de trajectoire basé sur l'impression 3D, parallèlement à l'orientation réglable des blocs de construction auto-assemblés dans l'encre. La stratégie ouvre la possibilité de fabriquer des structures qui peuvent répondre à diverses exigences en tant que matériau durable avec une vie circulaire.
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