Imaginez un avenir dans lequel vous pourriez imprimer en 3D un robot entier ou un dispositif médical électronique extensible en appuyant simplement sur un bouton, sans passer des heures fastidieuses à assembler des pièces à la main.

Cette possibilité est peut-être plus proche que jamais grâce à une récente avancée dans la technologie d'impression 3D dirigée par des ingénieurs de CU Boulder. Dans une nouvelle étude, l'équipe présente une stratégie d'utilisation des imprimantes actuellement disponibles pour créer des matériaux qui fusionnent des composants solides et liquides, un exploit délicat si vous ne voulez pas que votre robot s'effondre.

"Je pense qu'il y a un avenir où nous pourrions, par exemple, fabriquer un système complet comme un robot en utilisant ce processus", a déclaré Robert MacCurdy, auteur principal de l'étude et professeur adjoint au département de génie mécanique Paul M. Rady.

MacCurdy, ainsi que les doctorants Brandon Hayes et Travis Hainsworth, ont publié leurs résultats le 14 avril dans la revue Additive Manufacturing .

Les imprimantes 3D ont longtemps été le domaine des amateurs et des chercheurs travaillant dans les laboratoires. Ils sont assez doués pour fabriquer des dinosaures en plastique ou des pièces individuelles pour des machines, comme des engrenages ou des articulations. Mais MacCurdy pense qu'ils peuvent faire beaucoup plus :en mélangeant des solides et des liquides, les imprimantes 3D pourraient produire des appareils plus flexibles, dynamiques et potentiellement plus utiles. Ils comprennent des appareils électroniques portables avec des fils constitués de liquide contenu dans des substrats solides, ou même des modèles qui imitent le spongieux de vrais organes humains.

L'ingénieur compare l'avancement aux imprimantes traditionnelles qui impriment en couleur, pas seulement en noir et blanc.

"Les imprimantes couleur combinent un petit nombre de couleurs primaires pour créer une riche gamme d'images", a déclaré MaCurdy. "Il en va de même pour les matériaux. Si vous avez une imprimante qui peut utiliser plusieurs types de matériaux, vous pouvez les combiner de nouvelles façons et créer une gamme beaucoup plus large de propriétés mécaniques."

Espace vide

Pour comprendre ces propriétés, il est utile de comparer les imprimantes 3D aux imprimantes normales de votre bureau. Les imprimantes papier créent une image en déposant des encres liquides sur des milliers de pixels plats. Les imprimantes 3D à jet d'encre, en revanche, utilisent une tête d'impression pour déposer de minuscules billes de fluide, appelées "voxels" (un mélange de "volume" et de "pixel"), les unes sur les autres.

"Très peu de temps après le dépôt de ces gouttelettes, elles sont exposées à une lumière ultraviolette brillante", a déclaré MacCurdy. "Les liquides durcissables se transforment en solides en une seconde ou moins."

Mais, a-t-il ajouté, il existe de nombreux cas dans lesquels vous voudrez peut-être que ces liquides restent liquides. Certains ingénieurs, par exemple, utilisent des liquides ou des cires pour créer de minuscules canaux dans leurs matériaux solides, qu'ils vident ensuite. C'est un peu comme la façon dont des gouttes d'eau peuvent creuser une caverne souterraine.

Les ingénieurs ont trouvé des moyens de créer ce genre d'espaces vides dans des pièces imprimées en 3D, mais cela prend généralement beaucoup de temps et d'efforts pour les nettoyer. Les canaux doivent également rester relativement simples.

MacCurdy et ses collègues ont décidé de trouver un moyen de contourner ces limitations et de mieux comprendre les conditions qui permettraient aux ingénieurs d'imprimer des matériaux solides et liquides en même temps.

Courage liquide

Les chercheurs ont d'abord conçu une série de simulations informatiques qui ont sondé la physique de l'impression de différents types de matériaux les uns à côté des autres. L'un des gros problèmes, a déclaré MacCurdy, est :"Comment pouvez-vous empêcher vos gouttelettes de matériaux solides de se mélanger aux matériaux liquides, même lorsque les gouttelettes de matériaux solides sont imprimées directement sur les gouttelettes liquides ?"

L'équipe a établi un ensemble de règles pour les aider à faire exactement cela.

"Nous avons constaté que la tension superficielle d'un liquide peut être utilisée pour supporter un matériau solide, mais il est utile de choisir un matériau liquide plus dense que le matériau solide - la même physique qui permet au pétrole de flotter au-dessus de l'eau", dit Hayes.

Ensuite, les chercheurs ont expérimenté une véritable imprimante 3D en laboratoire. Ils ont chargé l'imprimante avec un polymère durcissable ou du plastique (le solide) et avec une solution de nettoyage standard (le liquide). Leurs créations étaient impressionnantes :le groupe a pu imprimer en 3D des boucles de liquide torsadées et un réseau complexe de canaux qui ressemblent aux voies de ramification d'un poumon humain.

"Les deux structures auraient été presque impossibles à réaliser avec les approches précédentes", a déclaré Hainsworth.

MacCurdy a également récemment rejoint une équipe de chercheurs de CU Boulder et du campus médical CU Anschutz qui développent des moyens d'imprimer en 3D des modèles réalistes de tissus humains. Les médecins pourraient utiliser ces modèles pour pratiquer des procédures et établir des diagnostics. Le projet utilisera l'approche liquide-solide de MacCurdy parmi d'autres outils.

"Nous espérons que nos résultats rendront l'impression 3D à jet d'encre multi-matériaux utilisant des liquides et des solides plus accessible aux chercheurs et aux passionnés du monde entier", a-t-il déclaré.