Impression 3D de pièces de forme proche du filet sans poteau

5 juin 2023

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par Lynn Shea, Ingénierie mécanique de l'Université Carnegie Mellon

Le professeur Rahul Panat de l'Université Carnegie Mellon et son équipe développaient un nouveau type de dispositif d'interface cerveau-ordinateur (ou BCI) imprimé en 3D où des micropiliers personnalisés captent les signaux de communication des neurones lorsqu'ils sont tombés sur un problème inattendu : les micropiliers du réseau se sont pliés pendant le frittage. Ces dispositifs BCI, désormais appelés "CMU Arrays", empilent des millions de nanoparticules métalliques dans l'espace 3D, puis les frittent, c'est-à-dire les fusionnent.

Dans une illustration plutôt dramatique, un film accéléré de leur expérience, les micropiliers d'argent se sont ouverts de manière très coordonnée comme une fleur épanouie pendant le processus de frittage de 12 heures à 150-300 °C. Ce phénomène était complètement inattendu car la théorie du frittage ne prévoit aucune distorsion permanente, même sous des températures variables.

Panat a dirigé une équipe interdisciplinaire de chercheurs de Carnegie Mellon et de l'Université de l'État de Washington dans le but non seulement de déterminer pourquoi il y avait une telle distorsion, mais plus important encore, de trouver un moyen de la contrôler. En fait, si elle était contrôlée, la recherche conduirait à la première illustration au monde du frittage en tant que mécanisme de "l'impression 4D", une discipline relativement nouvelle dans la fabrication additive (FA) où les objets imprimés en 3D sont transformés en une autre forme en utilisant des sources comme la chaleur, l'eau ou d'autres stimuli environnementaux.

Grâce à leur enquête, l'équipe a prouvé de manière concluante que le transport de masse était nécessaire pour provoquer le changement de forme permanent. Ils ont défini deux mécanismes possibles de distorsion et formulé un modèle de continuum unique en son genre qui prédit avec précision la distorsion et les paramètres qui la contrôlent. Leurs découvertes sont publiées dans le dernier numéro de la revue Nature Communications Sandra Ritchie, Ph.D. senior. candidat en génie mécanique, est l'étudiant principal de l'étude.

« C'est très excitant que nous puissions résoudre un problème fondamental dans la fabrication additive qui était le principal obstacle à l'obtention de pièces de forme quasi nette en utilisant la FA. De telles pièces ne nécessitent pas de traitement supplémentaire, ce qui réduit les coûts et économise de l'énergie », a déclaré Panat, qui a ajouté : « L'idée du frittage comme moyen de réaliser l'impression 4D ouvrira de nouvelles directions de recherche. Étant donné que les efforts actuels pour réduire la distorsion dans l'impression 3D se limitent en grande partie à des approches fastidieuses d'essais et d'erreurs, la résolution de ce problème pourrait être un facteur clé pour faire progresser la technologie de fabrication additive.

Les expériences utilisant des micropiliers étaient passionnantes, mais pour limiter le changement de forme à une seule direction, les auteurs ont conçu une nouvelle série d'expériences pour créer des micro-murs de 20 et 35 μm d'épaisseur. L'imagerie optique pourrait alors être utilisée pour mesurer avec précision la distorsion (flexion dans ce cas). Comme c'était le cas avec les micropiliers, la courbure des microparois augmentait au fur et à mesure du frittage pour atteindre une valeur maximale, avant de présenter une légère récupération. Les mesures thermiques ont montré que les micro-parois se plient toujours vers le côté le plus chaud, indiquant un transport de masse via le frittage différentiel.

Cette recherche aborde un problème fondamental dans la fabrication additive et devrait ouvrir des recherches que Panat espère poursuivre en microscopie operando pour observer le transport de masse pendant la distorsion, le contrôle de la température pour réaliser l'impression 4D sur différentes configurations et le développement de modèles qui prédisent le changement de forme pour des formes complexes comme on pourrait s'y attendre dans de grandes pièces pour des industries telles que les structures aérospatiales.

Plus d'information: Sandra M. Ritchie et al, La distorsion de forme dans le frittage résulte d'une température non homogène activant un transport de masse à longue portée, Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-38142-z

Informations sur la revue :Communication Nature

Fourni par Carnegie Mellon University Mechanical Engineering