Une nouvelle méthode développée par des chercheurs du MIT utilise des imprimantes 3D standard pour produire des appareils fonctionnels avec l'électronique déjà intégrée à l'intérieur. Les dispositifs sont constitués de fibres contenant de multiples matériaux interconnectés, qui peut s'allumer, sentir leur environnement, stocker de l'énergie, ou effectuer d'autres actions.

La nouvelle méthode d'impression 3D est décrite dans la revue Communication Nature , dans un article du doctorant du MIT Gabriel Loke, les professeurs John Joannopoulos et Yoel Fink, et quatre autres au MIT et ailleurs.

Le système utilise des imprimantes 3D conventionnelles équipées d'une buse spéciale et d'un nouveau type de filament pour remplacer le filament polymère mono-matériau habituel, qui est généralement complètement fondu avant d'être extrudé de la buse de l'imprimante. Le nouveau filament des chercheurs a une structure interne complexe composée de différents matériaux disposés dans une configuration précise, et est entouré d'un revêtement en polymère à l'extérieur.

Dans la nouvelle imprimante, la buse fonctionne à une température plus basse et tire le filament à travers des imprimantes conventionnelles plus rapides, de sorte que seule sa couche externe soit partiellement fondue. L'intérieur reste frais et solide, avec ses fonctions électroniques intégrées non affectées. De cette façon, la surface est fondue juste assez pour la faire adhérer solidement aux filaments adjacents pendant le processus d'impression, pour produire une structure 3-D robuste.

Les composants internes du filament comprennent des fils métalliques qui servent de conducteurs, des semi-conducteurs pouvant être utilisés pour contrôler des fonctions actives, et des isolants en polymère pour empêcher les fils d'entrer en contact les uns avec les autres. A titre de démonstration, l'équipe a imprimé une aile pour un modèle réduit d'avion, utilisant des filaments contenant à la fois des composants électroniques émettant de la lumière et détectant la lumière. Ces composants pourraient potentiellement révéler la formation de fissures microscopiques qui pourraient se développer.

Alors que les filaments utilisés dans l'aile du modèle contenaient huit matériaux différents, Loki dit qu'en principe ils pourraient en contenir encore plus. Jusqu'à ce travail, il dit, "une imprimante capable de déposer des métaux, semi-conducteurs, et les polymères sur une seule plateforme n'existaient toujours pas, parce que l'impression de chacun de ces matériaux nécessite un matériel et des techniques différents."

Cette méthode est jusqu'à trois fois plus rapide que toute autre approche actuelle de fabrication d'appareils 3D, Loki dit, et comme pour toutes les imprimantes 3D, offre beaucoup plus de flexibilité concernant les types de formes qui peuvent être produites que les méthodes de fabrication typiques. "Unique à l'impression 3D, cette approche est capable de construire des dispositifs de toutes formes libres, qui ne sont pas réalisables par d'autres méthodes jusqu'à présent, " il dit.

Le procédé utilise des fibres étirées thermiquement qui contiennent une variété de matériaux différents incorporés à l'intérieur, un processus que Fink et ses collaborateurs perfectionnent depuis deux décennies. Ils ont créé un réseau de fibres contenant des composants électroniques, rendant les fibres capables de remplir une variété de fonctions. Par exemple, pour les applications de communication, les feux clignotants peuvent transmettre des données qui sont ensuite captées par d'autres fibres contenant des capteurs de lumière. Cette approche a pour la première fois produit des fibres, et des tissus tissés à partir d'eux, qui ont ces fonctions intégrées.

Maintenant, ce nouveau procédé rend disponible toute cette famille de fibres comme matière première pour produire des dispositifs 3D fonctionnels capables de détecter, communiquer, ou stocker de l'énergie, entre autres actions.

Pour fabriquer les fibres elles-mêmes, les différents matériaux sont initialement assemblés en une version à plus grande échelle appelée préforme, qui est ensuite chauffée et étirée dans un four pour produire une fibre très étroite qui contient tous ces matériaux, dans leurs mêmes positions relatives exactes mais considérablement réduites en taille.

La méthode pourrait potentiellement être développée davantage pour produire une variété de différents types de dispositifs, en particulier pour les applications où la possibilité de personnaliser avec précision chaque appareil est essentielle. L'un de ces domaines est celui des dispositifs biomédicaux, où il peut être important d'adapter l'appareil au corps du patient, dit Fink, qui est professeur de science des matériaux ainsi que de génie électrique et d'informatique et PDG de l'organisation à but non lucratif Advanced Functional Fabrics of America.

Par exemple, les membres prothétiques pourraient un jour être imprimés en utilisant cette méthode, non seulement correspondant aux dimensions et aux contours précis du membre du patient, mais avec toute l'électronique pour surveiller et contrôler le membre intégré en place.

Au cours des années, le groupe a développé une large gamme de fibres contenant différents matériaux et fonctionnalités. Loke dit que pratiquement tous ces éléments peuvent être adaptés à la nouvelle technique d'impression 3D, permettant d'imprimer des objets avec une grande variété de combinaisons différentes de matériaux et de fonctions. L'appareil utilise un type standard d'imprimante 3D connu sous le nom d'imprimante à modélisation par dépôt de fusion (FDM), que l'on trouve déjà dans de nombreux laboratoires, des bureaux, et même des maisons.

Une application qui pourrait être possible à l'avenir serait d'imprimer des matériaux pour les implants biomédicaux qui fourniraient un échafaudage pour la croissance de nouvelles cellules pour remplacer un organe endommagé, et y inclure des capteurs pour surveiller la progression de cette croissance.

La nouvelle méthode pourrait également être utile pour le prototypage d'appareils, déjà une application majeure pour l'impression 3D, mais dans ce cas, les prototypes auraient des fonctionnalités réelles, plutôt que d'être des modèles statiques.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.