Des chercheurs de l’université du Wisconsin-Madison ont franchi une étape vers la fabrication de composants électroniques de remplacement dans l’espace en réussissant pour la première fois à imprimer en 3D des unités de dispositifs RAM en apesanteur.
Le groupe a rencontré un problème technique lors de ses deux premiers vols d’essai paraboliques – des excursions d’environ 40 minutes avec des montées et des descentes qui simulent de brèves périodes d’apesanteur. Les chercheurs ont passé la semaine précédant leur troisième et dernier vol à rechercher les causes potentielles du problème pendant des journées de 12 à 15 heures.
L’impression 3D traditionnelle s’appuie sur la gravité pour extruder le matériau d’une buse d’imprimante, ce qui signifie que l’impression dans l’espace nécessite une approche différente. Le laboratoire de Hantang Qin, professeur adjoint d’ingénierie industrielle et de systèmes à l’UW et chercheur principal a mis au point une alternative appelée impression électrohydrodynamique (EHD). Cette technique applique une force électrique pour diriger le flux de matériaux liquides à travers une buse extrêmement fine de seulement 30 micromètres de diamètre, soit environ la largeur moyenne d’une fibre de laine.
« À cette petite échelle, la tension superficielle empêche le liquide de s’écouler de la buse« , explique M. Qin, dont le groupe dirige la collaboration avec des chercheurs de l’université d’État de l’Iowa, de l’université d’État de l’Arizona, d’Intel et d’autres partenaires industriels. « Nous appliquons ensuite une force électrique pour nous affranchir de cette tension superficielle« .
Hantang Qin, professeur adjoint d’ingénierie industrielle et de systèmes à l’UW et chercheur principal, explique que la technologie d’impression EHD présente des avantages qui vont au-delà de sa capacité à fonctionner dans des environnements en apesanteur. Avec l’impression 3D traditionnelle, la taille de la buse détermine essentiellement la taille des gouttelettes.
« Mais avec notre système d’impression, nous pouvons fabriquer des gouttelettes bien plus petites que la taille de la buse« , explique-t-il. « Avec une buse de 2 micromètres, nous pouvons créer un motif à l’échelle nanométrique. C’est l’énorme avantage de ce système« .
L’équipe a fini par mettre le doigt sur le problème qui a entravé les essais des deux premiers vols : Les vibrations du moteur de l’avion ont causé un problème avec les capteurs d’étalonnage de l’imprimante. Ils ont pu résoudre le problème en réécrivant une partie du code de leur système pour compenser les vibrations, Pengyu Zhang, étudiant diplômé en génie électrique et informatique, écrivant le code en apesanteur.
Tout ce travail a porté ses fruits lors du dernier vol d’essai du groupe. Sous le contrôle manuel de Wolf et de Jacob Kocemba (diplômé de l’UW-Madison en 2023 et poursuivant actuellement ses études à l’université de l’Illinois), l’imprimante EHD du laboratoire a produit avec succès plus d’une douzaine d’unités avec de l’oxyde de zinc, une encre semi-conductrice, et une demi-douzaine d’autres avec du polydiméthylsiloxane, une encre polymère isolante.
Si les chercheurs ont pu constater le fonctionnement de leur imprimante en flottant dans la cabine de l’avion, ils n’ont pu confirmer leurs résultats aux micro- et nano-échelles qu’en se serrant autour d’un microscope dans leur laboratoire de recherche improvisé, installé dans un hangar de l’aéroport.
Les chercheurs prévoient de retourner en Floride en août et novembre 2024 pour deux autres vols d’essai, au cours desquels ils tenteront d’incorporer leur technologie EHD dans l’imprimante 3D multi-outils d’un partenaire industriel, puis de passer de l’impression d’unités individuelles à des dispositifs semi-conducteurs complets. S’ils parviennent à franchir ces étapes, ils espèrent lancer leur technologie pour la tester à bord de la Station spatiale internationale.
La NASA finance cette recherche dans le but de développer des capacités de fabrication dans l’espace de composants électroniques tels que des semi-conducteurs, des actionneurs et des capteurs.
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