Des chercheurs de l'ETH Zurich et des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux (Empa) ont établi un nouveau record mondial :ils ont imprimé en 3D des objets complexes avec une teneur en cellulose plus élevée que celle de toute autre pièce à base de cellulose fabriquée de manière additive. Pour y parvenir, ils ont utilisé une astuce astucieuse.

Les arbres et autres plantes ouvrent la voie :ils produisent eux-mêmes de la cellulose et l'utilisent pour construire des structures complexes aux propriétés mécaniques extraordinaires. Cela rend la cellulose attrayante pour les scientifiques des matériaux qui cherchent à fabriquer des produits durables dotés de fonctions spéciales. Cependant, transformer des matériaux en structures complexes à haute teneur en cellulose reste un défi de taille pour les scientifiques des matériaux.

Un groupe de chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Empa a maintenant trouvé un moyen de traiter la cellulose en utilisant l'impression 3D afin de créer des objets d'une complexité presque illimitée qui contiennent des niveaux élevés de particules de cellulose.

Imprimer d'abord, puis densifier

Pour faire ça, les chercheurs ont combiné l'impression via la méthode d'écriture directe à l'encre (DIW) avec un processus de densification ultérieur pour augmenter la teneur en cellulose de l'objet imprimé à une fraction volumique de 27 %. Leurs travaux ont récemment été publiés dans le Matériaux fonctionnels avancés journal.

Les chercheurs de l'ETH et de l'Empa ne sont certes pas les premiers à traiter la cellulose avec l'imprimante 3D. Cependant, approches précédentes, qui utilisait également de l'encre contenant de la cellulose, n'ont pas été en mesure de produire des objets solides avec une teneur en cellulose et une complexité aussi élevées.

La composition de l'encre d'imprimerie est extrêmement simple. Il n'est constitué que d'eau dans laquelle ont été dispersées des particules de cellulose et des fibres mesurant quelques centaines de nanomètres. La teneur en cellulose se situe entre six et 14 pour cent du volume d'encre.

Le bain de solvant densifie la cellulose

Les chercheurs de l'ETH ont utilisé l'astuce suivante pour densifier les produits cellulosiques imprimés :après avoir imprimé une encre à l'eau à base de cellulose, ils mettent les objets dans un bain contenant des solvants organiques. Comme la cellulose n'aime pas les solvants organiques, les particules ont tendance à s'agréger. Ce processus entraîne un rétrécissement de la pièce imprimée et par conséquent une augmentation significative de la quantité relative de particules de cellulose au sein du matériau.

Dans une étape supplémentaire, les scientifiques ont trempé les objets dans une solution contenant un précurseur plastique photosensible. En éliminant le solvant par évaporation, les précurseurs plastiques s'infiltrent dans l'échafaudage à base de cellulose. Prochain, convertir les précurseurs plastiques en un plastique solide, ils ont exposé les objets à la lumière UV. Cela a produit un matériau composite avec une teneur en cellulose des 27 pour cent en volume susmentionnés. "Le processus de densification nous a permis de commencer avec un mélange eau-cellulose de 6 à 14% en volume et de finir avec un objet composite qui présente jusqu'à 27% en volume de nanocristaux de cellulose, " dit Hausmann.

L'élasticité peut être prédéterminée

Comme si cela ne suffisait pas, selon le type de précurseur plastique utilisé, les chercheurs peuvent ajuster les propriétés mécaniques des objets imprimés, comme leur élasticité ou leur résistance. Cela leur permet de créer des pièces dures ou molles, selon l'application.

En utilisant cette méthode, les chercheurs ont pu fabriquer divers objets composites, dont certains de nature délicate, comme un type de sculpture de flamme qui n'a que 1 millimètre d'épaisseur. Cependant, la densification de pièces imprimées avec une épaisseur de paroi supérieure à cinq millimètres conduit à une déformation de la structure car la surface de l'objet densifiant se contracte plus rapidement que son noyau.

Orientation des fibres similaire au bois

Les chercheurs ont étudié leurs objets à l'aide d'analyses aux rayons X et de tests mécaniques. Leurs résultats ont montré que les nanocristaux de cellulose sont alignés de la même manière que ceux présents dans les matériaux naturels. "Cela signifie que nous pouvons contrôler la microstructure cellulosique de nos objets imprimés pour fabriquer des matériaux dont la microstructure ressemble à celle des systèmes biologiques, comme le bois, " dit Rafael Libanori, assistant principal dans le groupe de recherche du professeur André Studart de l'ETH.

Les pièces imprimées sont encore de petite taille, à l'échelle du laboratoire pourrait-on dire. Mais il existe de nombreuses applications potentielles, de l'emballage personnalisé aux implants de remplacement de cartilage pour les oreilles. Les chercheurs ont également imprimé une oreille basée sur un modèle humain. Jusqu'à ce qu'un tel produit puisse être utilisé en pratique clinique, cependant, plus de recherche et, par dessus tout, des essais cliniques sont nécessaires.

Ce type de technologie cellulosique pourrait également intéresser l'industrie automobile. Les constructeurs automobiles japonais ont déjà construit un prototype de voiture de sport dont les pièces de carrosserie sont presque entièrement constituées de matériaux à base de cellulose.