Des chercheurs de l'Université de Fribourg et de l'Université de Stuttgart ont mis au point un nouveau procédé de fabrication de meubles, systèmes de matériaux auto-ajustables avec des imprimantes 3D standard. Ces systèmes peuvent subir des changements de forme complexes, se contracte et se dilate sous l'influence de l'humidité d'une manière préprogrammée. Les scientifiques ont modélisé leur développement sur la base des mécanismes de mouvement de la plante grimpante connue sous le nom de pomme de terre aérienne (Dioscorea bulbifera).

Avec leur nouvelle méthode, l'équipe a produit son premier prototype :une orthèse d'avant-bras qui s'adapte au porteur et qui peut être développée pour des applications médicales. Ce processus a été développé en collaboration par Tiffany Cheng et le professeur Dr. Achim Menges de l'Institute of Computational Design and Construction (ICD) et du cluster d'excellence Intégrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) de l'Université de Stuttgart, avec le Prof. Dr. Thomas Speck du Groupe Biomécanique des Plantes et du Vivant, Pôle d'excellence en systèmes de matériaux adaptatifs et autonomes en énergie (livMatS) à l'Université de Fribourg. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la revue Sciences avancées .

L'impression 4D définit les changements de forme

L'impression 3D s'est imposée comme un processus de fabrication pour un large éventail d'applications. Il peut même être utilisé pour produire des matériaux intelligents et des systèmes de matériaux qui restent en mouvement après l'impression, changeant de forme de manière autonome à partir de stimuli externes tels que la lumière, température ou humidité. Cette impression dite 4D, dans lequel des changements de forme prédéterminés peuvent être déclenchés par un stimulus, étend énormément les applications potentielles des systèmes matériels. Ces changements de forme sont rendus possibles par la composition chimique des matériaux, qui se composent de polymères sensibles aux stimuli. Cependant, les imprimantes et les matériaux de base utilisés pour produire de tels systèmes de matériaux sont généralement hautement spécialisés, sur mesure et cher—jusqu'à maintenant.

Maintenant, en utilisant des imprimantes 3D standards, il est possible de produire des systèmes de matériaux qui réagissent aux changements d'humidité. Compte tenu de leur structure, ces systèmes de matériaux peuvent subir des changements de forme dans l'ensemble du système ou simplement dans les pièces individuelles. Les chercheurs des universités de Fribourg et de Stuttgart ont combiné plusieurs couches gonflantes et stabilisatrices pour réaliser un mécanisme de mouvement complexe :une structure enroulée qui se resserre en dépliant des « poches » en guise de presseurs et qui peut se desserrer d'elle-même lorsque les « poches » se relâchent. et la structure enroulée revient à l'état ouvert.

Mécanismes de mouvement naturel transférés à des systèmes matériels techniques

Pour ce nouveau procédé, les scientifiques ont utilisé un mécanisme naturel :la pomme de terre aérienne grimpe aux arbres en appliquant une pression sur le tronc de la plante hôte. Pour faire ça, la plante s'enroule d'abord librement autour d'un tronc d'arbre. Puis il germe des "stipules", excroissances basales des feuilles, qui augmentent l'espace entre la tige de remontoir et la plante hôte. Cela crée une tension dans la tige d'enroulement de la pomme de terre à air. Pour imiter ces mécanismes, les chercheurs ont construit un système de matériaux modulaire en structurant ses couches de manière à ce qu'il puisse se plier dans différentes directions et à différents degrés, s'enroulant et formant ainsi une structure en hélice. Des « poches » sur la surface provoquent la poussée de l'hélice vers l'extérieur et la mise sous tension, provoquant la contraction de tout le système matériel.

"Jusque là, notre processus est toujours limité aux matériaux de base existants qui réagissent à l'humidité, " dit Achim Menges. " Nous espérons, " Thomas Speck ajoute, « qu'à l'avenir, des matériaux peu coûteux qui répondent également à d'autres stimuli deviendront disponibles pour l'impression 3D et pourront être utilisés avec notre processus."

Chercheurs de l'Université de Fribourg's Living, Le pôle d'excellence des systèmes de matériaux adaptatifs et autonomes en énergie (livMatS) développe des systèmes de matériaux réalistes inspirés de la nature. Comme des structures vivantes, ils s'adaptent de manière autonome à différents facteurs environnementaux, génèrent de l'énergie propre à partir de leur environnement et sont insensibles aux dommages ou peuvent se guérir. Néanmoins ces systèmes de matériaux seront des objets purement techniques, ils peuvent donc être produits à l'aide de méthodes synthétiques et déployés dans des conditions extrêmes.