Les images du haut montrent le design numérique et sa forme imprimée. Le violet correspond aux régions époxydes rigides durcies aux ultraviolets, tandis que les régions grises sont des régions d'acrylate durcies à la lumière visible qui sont douces et souples. Au fond, le logo du groupe d'impression 3D, MASC, est transformé en un objet imprimé composé à la fois rigide, régions opaques et douces, régions transparentes. Crédit :A.J. Boydston et Johanna Schwartz
L'impression 3D a révolutionné les domaines de la santé, génie biomédical, fabrication et conception artistique.
Des applications réussies sont arrivées malgré le fait que la plupart des techniques d'impression 3D ne peuvent produire que des pièces faites d'un seul matériau à la fois. Des applications plus complexes pourraient être développées si les imprimantes 3D pouvaient utiliser différents matériaux et créer des pièces multi-matériaux.
De nouvelles recherches utilisent différentes longueurs d'onde de la lumière pour atteindre cette complexité. Des scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison ont développé une nouvelle imprimante 3D qui utilise des motifs de lumière visible et ultraviolette pour dicter lequel des deux monomères est polymérisé pour former un matériau solide. Différents modèles de lumière fournissent le contrôle spatial nécessaire pour produire des pièces multi-matériaux. Le travail a été publié le 15 février dans la revue Communication Nature .
"Aussi incroyable que soit l'impression 3D, dans de nombreux cas, il n'offre qu'une seule couleur pour peindre, " déclare le professeur de chimie UW-Madison A.J. Boydston, qui a dirigé les travaux récents avec son étudiante diplômée Johanna Schwartz. "Le terrain a besoin d'une palette de couleurs complète."
Boydston et Schwartz savaient que l'amélioration des matériaux d'impression nécessitait une approche chimique pour compléter les progrès de l'ingénierie.
« C'est un changement dans la façon dont nous pensons à l'impression 3D avec plusieurs types de matériaux dans un seul objet, " Dit Boydston. " C'est plus une approche de chimiste ascendante, des molécules aux réseaux."
L'impression 3D est le processus de fabrication d'objets tridimensionnels solides à partir d'un fichier numérique en ajoutant successivement de fines couches de matériau au-dessus des couches précédentes. La plupart des méthodes d'impression 3D multi-matériaux utilisent des réservoirs de matériaux séparés pour obtenir différents matériaux dans les bonnes positions.
Mais Boydston s'est rendu compte qu'une seule cuve, Une approche à plusieurs composants, similaire à l'approche à un seul récipient d'un chimiste lors de la synthèse de molécules, serait plus pratique que des réservoirs multiples avec des matériaux différents. Cette approche est basée sur la capacité de différentes longueurs d'onde de lumière à contrôler quels matériaux de départ polymérisent en différentes sections du produit solide. Ces matières premières commencent comme de simples produits chimiques, appelés monomères, qui polymérisent ensemble en une chaîne plus longue de produits chimiques, comme la façon dont le plastique est fabriqué.
"Si vous pouvez concevoir un élément dans PowerPoint avec différentes couleurs, alors nous pouvons l'imprimer avec différentes compositions basées sur ces couleurs, " dit Schwartz.
Les chercheurs créent plusieurs images numériques qui, lorsqu'il est empilé, produire un dessin en trois dimensions. Les images contrôlent si la lumière ultraviolette ou visible est utilisée pour polymériser les matériaux de départ, qui contrôle le matériau final et ses propriétés, comme la raideur. Les chercheurs dirigent simultanément la lumière de deux projecteurs vers une cuve de matières premières liquides, où les couches sont construites une par une sur une plate-forme. Une fois qu'une couche est construite, la plate-forme de construction monte, et la lumière aide à construire la couche suivante.
Le principal obstacle auquel Boydston et Schwartz ont été confrontés était l'optimisation de la chimie des matériaux de départ. Ils ont d'abord considéré comment les deux monomères se comporteraient ensemble dans une même cuve. Ils devaient également s'assurer que les monomères avaient des temps de durcissement similaires afin que les matériaux durs et mous de chaque couche finissent de sécher à peu près en même temps.
Avec la bonne chimie en place, Boydston et Schwartz pouvaient désormais dicter exactement où chaque monomère durcissait dans l'objet imprimé en utilisant la lumière ultraviolette ou visible.
"À ce stade, nous n'avons réussi à mettre des matériaux durs à côté des matériaux mous qu'en une seule étape, " Boydston dit. " Il y a beaucoup d'imperfections, mais ce sont de nouveaux défis passionnants."
Maintenant, Boydston veut remédier à ces imperfections et répondre aux questions ouvertes, telles que quelles autres combinaisons de monomères peuvent être utilisées et si différentes longueurs d'onde de lumière peuvent être utilisées pour durcir ces nouveaux matériaux. Boydston espère également constituer une équipe interdisciplinaire capable d'accroître l'impact des mesures à longueur d'onde contrôlée, impression 3D multi-matériaux.
La nouvelle approche des chercheurs en matière d'impression 3D multi-matériaux pourrait permettre aux concepteurs, artistes, ingénieurs et scientifiques pour créer des systèmes beaucoup plus complexes avec l'impression 3D. Les applications pourraient inclure la création de dispositifs médicaux personnalisés, comme les prothèses, ou le développement d'organes et de tissus simulés. Les étudiants en médecine pourraient utiliser ces organes synthétiques pour s'entraîner au lieu de, ou avant de travailler avec, patients vivants.
L'utilisation de méthodes chimiques pour éliminer un goulot d'étranglement technique est exactement ce dont l'industrie de l'impression 3D a besoin pour aller de l'avant, dit Schwartz.
« C'est cette interface de la chimie et de l'ingénierie qui propulsera le domaine vers de nouveaux sommets, " dit Schwartz.
