Échantillons nano-composites en forme d'os de chien imprimés en 3D pour les essais de traction. Crédit :Masoud Kasraie
Un nouveau, L'encre nanocomposite polymère imprimable en 3D possède des propriétés incroyables et de nombreuses applications dans l'aérospatiale, médecine et électronique.
Des chercheurs en génie mécanique de la Michigan Technological University ont créé un moyen de fabriquer une encre polymère nanocomposite imprimable en 3D qui utilise des nanotubes de carbone (CNT), connus pour leur haute résistance à la traction et leur légèreté. Cette encre révolutionnaire pourrait remplacer les époxydes, et comprendre pourquoi ses propriétés sont si fantastiques est un premier pas vers son utilisation massive.
impression en 3D, également appelée fabrication additive, est plus polyvalent et efficace que le moulage. Il ajoute une matière avec précision, souvent dans des géométries complexes, avec beaucoup moins d'excès à couper. Ajout de nanomatériaux de faible dimension tels que les NTC, graphène, les nanoparticules métalliques et les points quantiques permettent aux matériaux imprimés en 3D de s'adapter aux stimuli externes, en leur donnant des caractéristiques telles que la conductance électrique et thermique, magnétisme et stockage électrochimique.
Mais l'impression 3D utilisant du plastique, le métal ou autre chose n'est pas nouveau. Ce que les chercheurs en technologie ont fait différemment, c'est d'utiliser des nanocomposites polymères (faits d'époxy, nanotubes de carbone et nano-argile) et un procédé d'impression qui ne sacrifie pas la fonctionnalité. La jonction du type de matériau et de la morphologie—taille, forme, structure - dans les encres nanocomposites polymères est la fonction ultime de réunion de forme.
L'exploration du processus, la morphologie et les propriétés des encres polymériques fait l'objet d'un article récemment publié dans la revue La fabrication additive de Parisa Pour Shahid Saeed Abadi, un ingénieur qui explore l'interface des matériaux, mécanique et médecine, et étudiant diplômé Masoud Kasraie.
Abadi et Kasraie soulignent qu'avant que les chercheurs puissent sprinter vers les courses en utilisant des encres polymères, ils doivent d'abord apprendre à marcher. La première étape consiste à creuser l'intersection de l'échelle macro (comment nos yeux voient un matériau performant) et de l'échelle nano (ce que nous ne pouvons pas voir, mais sachez qu'il se passe).
Construire la compréhension avant la part de marché
Alors que les nanocomposites polymères et les produits et services d'impression 3D ont tous deux des valeurs de marché de plusieurs milliards de dollars, l'impression 3D de nanomatériaux n'a qu'une valeur marchande d'environ 43 millions de dollars, Abadi a noté.
Alignement de nanomatériaux dans le sens de l'impression 3D illustré par microscopie électronique après gravure plasma du polymère. Crédit :Masoud Kasraie
"Pour la prospérité nationale et le maintien du leadership mondial dans le secteur manufacturier, le fossé entre les applications réelles de l'impression 3D et des nanomatériaux par rapport à l'impression 3D de nanomatériaux doit être comblé, " Abadi a déclaré. " L'écart existe en raison du manque de contrôle des propriétés des nanocomposites dans le processus d'impression 3D, parce que nous ne comprenons pas pleinement la relation processus-morphologie-propriété."
Le goulot d'étranglement est la compréhension de l'interaction complexe entre la mécanique à l'échelle macro des processus d'impression 3D et la mécanique et la physique à l'échelle nanométrique des nanocomposites. Les recherches d'Abadi et Kasraie visent à desserrer le goulot d'étranglement en explorant la relation entre les paramètres du processus d'impression 3D et la morphologie des nanomatériaux dans les encres d'impression nanocomposites, qui est la pièce du puzzle la plus importante mais la moins explorée.
Les nombreux avantages de l'encre nanomatériau
Au-delà de la science de l'encre nanocomposite, le matériau est très prometteur en raison de ses nombreuses fonctionnalités. L'un des avantages de l'impression 3D est le contrôle quasi-complet de la forme du produit final.
La conductivité de l'encre nanomatériau d'Abadi et Kasraie est un trait exceptionnellement pratique qui donne à l'époxy imprimé le potentiel de doubler comme câblage électrique, que ce soit dans une carte de circuit imprimé, une aile d'avion ou dans des actionneurs imprimés en 3D pour guider des cathéters dans les vaisseaux sanguins. Un autre trait utile de l'encre polymère nanocomposite est sa résistance.
"Par rapport à l'acier et à l'aluminium, nous voyons 80% de réduction de poids avec un composite époxy avec la même résistance, " dit Kasraie.
Finalement, dans le domaine médical et les industries aérospatiales et électroniques, où les défauts et les dommages peuvent entraîner de gros problèmes, les nanocomposites remplissent une fonction de sécurité.
"Quand quelque chose se brise, une minuscule fissure part d'un défaut microscopique et progresse jusqu'à casser toute la structure, ", a déclaré Abadi. "Les caractéristiques nanocomposites créent des ponts dans ces fissures et ne laissent pas les fissures se développer. C'est l'un des mécanismes par lesquels les nanotubes de carbone augmentent la résistance mécanique du matériau."
Rapport propriété/poids, conductivité électrique, une résistance accrue et une facilité d'application ne sont que quelques-unes des nombreuses raisons prometteuses pour lesquelles les encres nanocomposites polymères remplaceront probablement les époxydes traditionnels.
