L’accent étant mis sur la durabilité, on se rend compte que les matériaux qui sont décrits comme durables nécessitent également quelques ajustements pour être traités par une imprimante 3D.
Pour imprimer un nouveau matériau à partir de zéro, il faut généralement définir jusqu’à 100 paramètres dans le logiciel qui contrôle la manière dont l’imprimante extrudera le matériau lors de la fabrication d’un objet. Les matériaux couramment utilisés, comme les polymères fabriqués en masse, ont des ensembles de paramètres établis qui ont été perfectionnés grâce à des processus fastidieux d’essais et d’erreurs.
Mais les propriétés des matériaux renouvelables et recyclables peuvent fluctuer considérablement en fonction de leur composition, de sorte qu’il est pratiquement impossible de créer des ensembles de paramètres fixes. Dans ce cas, les utilisateurs doivent trouver tous ces paramètres à la main.
Les chercheurs se sont attaqués à ce problème en mettant au point une imprimante 3D capable d’identifier automatiquement les paramètres d’un matériau inconnu.
Une équipe du Center for Bits and Atoms (CBA) du MIT, du National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis et du National Center for Scientific Research in Greece (Demokritos) a modifié l’extrudeuse, le « cœur » d’une imprimante 3D, afin qu’elle puisse mesurer les forces et l’écoulement d’un matériau.
Les paramètres générés automatiquement peuvent remplacer environ la moitié des paramètres qui doivent généralement être réglés à la main. Lors d’une série d’essais d’impression avec des matériaux uniques, dont plusieurs matériaux renouvelables, les chercheurs ont montré que leur méthode pouvait produire des paramètres viables de manière cohérente.
Cette recherche pourrait contribuer à réduire l’impact environnemental de la fabrication additive, qui repose généralement sur des polymères non recyclables et des résines dérivées de combustibles fossiles.
« Dans cet article, nous démontrons une méthode qui peut prendre tous ces matériaux intéressants qui sont biosourcés et fabriqués à partir de diverses sources durables et nous montrons que l’imprimante peut trouver d’elle-même comment imprimer ces matériaux. L’objectif est de rendre l’impression 3D plus durable« , explique l’auteur principal, Neil Gershenfeld, qui dirige le CBA.
Modification des propriétés des matériaux
Dans la fabrication par filament fondu (FFF), souvent utilisée pour le prototypage rapide, des polymères fondus sont extrudés à travers une buse chauffée, couche par couche, pour construire une pièce. Un logiciel, appelé slicer, fournit des instructions à la machine, mais le slicer doit être configuré pour travailler avec un matériau particulier.
L’utilisation de matériaux renouvelables ou recyclés dans une imprimante 3D FFF est particulièrement difficile, car de nombreuses variables influent sur les propriétés des matériaux.
Par exemple, un polymère ou une résine d’origine biologique peut être composé de différents mélanges de plantes en fonction de la saison. Les propriétés des matériaux recyclés varient également beaucoup en fonction de ce qui est disponible pour le recyclage.
Pour surmonter ces difficultés, les chercheurs ont mis au point une imprimante 3D et un flux de travail permettant d’identifier automatiquement les paramètres de processus viables pour tout matériau inconnu.
Ils ont commencé par une imprimante 3D que leur laboratoire avait précédemment développée et qui peut capturer des données et fournir un retour d’information pendant qu’elle fonctionne. Les chercheurs ont ajouté trois instruments à l’extrudeuse de la machine qui prennent des mesures utilisées pour calculer les paramètres.
Un capteur de charge mesure la pression exercée sur le filament d’impression, tandis qu’un capteur de vitesse d’alimentation mesure l’épaisseur du filament et la vitesse réelle à laquelle il est introduit dans l’imprimante.
Cette fusion des mesures, de la modélisation et de la fabrication est au cœur de la collaboration entre le NIST et le CBA, puisque nous travaillons au développement de ce que nous appelons la « métrologie computationnelle » », explique James Warren, qui dirige le programme du génome des matériaux au NIST.
Ces mesures peuvent être utilisées pour calculer les deux paramètres d’impression les plus importants, mais les plus difficiles à déterminer : le débit et la température. Près de la moitié des paramètres d’impression des logiciels standard sont liés à ces deux paramètres.
À l’avenir, les chercheurs prévoient d’intégrer ce processus dans un logiciel d’impression 3D, de sorte qu’il ne soit plus nécessaire d’entrer les paramètres manuellement. En outre, ils souhaitent améliorer leur flux de travail en incorporant un modèle thermodynamique de l’extrémité chaude, qui est la partie de l’imprimante qui fait fondre le filament.
Cette collaboration développe désormais plus largement la métrologie computationnelle, dans laquelle le résultat d’une mesure est un modèle prédictif plutôt qu’un simple paramètre. Les chercheurs appliqueront cette méthode à d’autres domaines de la fabrication avancée, ainsi qu’à l’élargissement de l’accès à la métrologie.
« En développant une nouvelle méthode de génération automatique de paramètres de processus pour la fabrication de filaments fondus, cette étude ouvre la voie à l’utilisation de filaments recyclés et biosourcés qui ont des comportements variables et inconnus. Surtout, elle renforce le potentiel de la technologie de fabrication numérique à utiliser des matériaux durables d’origine locale« , explique Alysia Garmulewicz, professeur associé à la faculté d’administration et d’économie de l’université de Santiago du Chili, qui n’a pas participé à ces travaux.
Cette recherche est soutenue, en partie, par le National Institute of Standards and Technology et le Center for Bits and Atoms Consortia.
La recherche est publiée dans la revue Integrating Materials and Manufacturing Innovation.
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