Permettre aux utilisateurs de créer des objets allant des simples jouets aux pièces prothétiques personnalisées, les plastiques sont un matériau d'impression 3D populaire. Mais ces pièces imprimées sont mécaniquement faibles, un défaut causé par la liaison imparfaite entre les couches imprimées individuelles qui composent la pièce 3D.

Chercheurs de la Texas A&M University, en collaboration avec des scientifiques de la société Essentium, Inc. a maintenant développé la technologie nécessaire pour surmonter le "point faible" de l'impression 3D. En intégrant la science du plasma et la technologie des nanotubes de carbone dans l'impression 3D standard, les chercheurs ont soudé plus efficacement les couches imprimées adjacentes, augmentant la fiabilité globale de la pièce finale.

"Trouver un moyen de remédier à la liaison inadéquate entre les couches imprimées a été une quête permanente dans le domaine de l'impression 3D, " dit Micah Green, professeur agrégé au département de génie chimique Artie McFerrin. « Nous avons maintenant développé une technologie sophistiquée qui peut renforcer le soudage entre ces couches tout en imprimant la pièce en 3D. »

Leurs conclusions ont été publiées dans le numéro de février de la revue Lettres nano .

Les plastiques sont couramment utilisés pour l'impression 3D par extrusion, techniquement connu sous le nom de modélisation par dépôt fondu. Dans cette technique, le plastique fondu est extrait d'une buse qui imprime les pièces couche par couche. Au fur et à mesure que les couches imprimées refroidissent, ils fusionnent les uns avec les autres pour créer la pièce 3D finale.

Cependant, des études montrent que ces couches se rejoignent imparfaitement; les pièces imprimées sont plus faibles que les pièces identiques fabriquées par moulage par injection où les plastiques fondus prennent simplement la forme d'un moule prédéfini lors du refroidissement. Pour rejoindre ces interfaces de manière plus approfondie, un chauffage supplémentaire est nécessaire, mais chauffer des pièces imprimées à l'aide de quelque chose qui s'apparente à un four présente un inconvénient majeur.

"Si vous mettez quelque chose dans un four, ça va tout chauffer, ainsi une pièce imprimée en 3D peut se déformer et fondre, perdre sa forme, " a déclaré Green. " Ce dont nous avions vraiment besoin, c'était d'un moyen de chauffer uniquement les interfaces entre les couches imprimées et non la partie entière. "

Pour favoriser la liaison inter-couches, l'équipe s'est tournée vers les nanotubes de carbone. Étant donné que ces particules de carbone chauffent en réponse aux courants électriques, les chercheurs ont recouvert la surface de chaque couche imprimée de ces nanomatériaux. Semblable à l'effet chauffant des micro-ondes sur les aliments, l'équipe a découvert que ces revêtements de nanotubes de carbone peuvent être chauffés à l'aide de courants électriques, permettant aux couches imprimées de se lier ensemble.

Pour appliquer de l'électricité pendant que l'objet est imprimé, les courants doivent surmonter un minuscule espace d'air entre la tête d'impression et la pièce 3-D. Une option pour combler cet entrefer est d'utiliser des électrodes métalliques qui touchent directement la pièce imprimée, mais Green a déclaré que ce contact peut endommager la pièce par inadvertance.

L'équipe a collaboré avec David Staack, professeur agrégé au département de génie mécanique J. Mike Walker '66, générer un faisceau de particules d'air chargées, ou plasma, qui pourrait transporter une charge électrique à la surface de la pièce imprimée. Cette technique a permis aux courants électriques de traverser la pièce imprimée, chauffer les nanotubes et souder les couches entre elles.

Avec la technologie plasma et le matériau thermoplastique revêtu de nanotubes de carbone en place, Les chercheurs de Texas A&M et d'Essentium ont ajouté ces deux composants aux imprimantes 3D conventionnelles. Lorsque les chercheurs ont testé la résistance des pièces imprimées en 3D à l'aide de leur nouvelle technologie, ils ont constaté que leur résistance était comparable à celle des pièces moulées par injection.

"Le Saint Graal de l'impression 3D a été d'obtenir que la force de la pièce imprimée en 3D corresponde à celle d'une pièce moulée, " Green a déclaré. "Dans cette étude, nous avons utilisé avec succès le chauffage localisé pour renforcer les pièces imprimées en 3D afin que leurs propriétés mécaniques rivalisent désormais avec celles des pièces moulées. Avec notre technologie, les utilisateurs peuvent désormais imprimer une pièce personnalisée, comme une prothèse sur mesure, et cette partie traitée thermiquement sera beaucoup plus résistante qu'avant."