Impression 3D assistée par instabilité de fibres à ténacité extrême

 

Frédérick Gosselin

École Polytechnique de Montréal

 

Domaine : matériaux

Programme établissement de nouveaux chercheurs universitaires

Concours 2015-2016

Tirant notre inspiration des matériaux biologiques, nous proposons d'améliorer les propriétés mécaniques de filaments tracés par impression 3D en altérant leur microstructure via une instabilité d'écoulement visqueux. Nous utilisons la technologie de déposition de fil fondu (fused deposition modelling) hors de sa plage d'opération habituelle pour faire appel à l'instabilité de corde fluide qui guidera la géométrie des fibres produites. Nous faisons couler un filament de polymère fondu visqueux vers un substrat se déplaçant en direction perpendiculaire à une vitesse plus faible que celle du filament. Le filament flambe alors à répétition donnant lieu à des patrons de méandres et de boucles périodiques. À mesure que le polymère refroidit, la fibre se solidifie avec une géométrie conférée par l'instabilité.

Des patrons de boucles périodiques donnent lieu à un mécanisme d'augmentation de la ténacité dû aux liens sacrificiels créés lorsque le filament complète une boucle et se soude à lui-même. Pour étirer la fibre en tension uniaxiale, les liens sacrificiels doivent être brisés un par un, ajoutant ainsi à l'énergie nécessaire pour briser la fibre. Les liens sacrificiels dans la fibre microstructurée ainsi faite jouent un rôle analogue à ceux des liens hydrogènes présents dans la structure moléculaire de la protéine de soie d'araignée qui lui donne sa ténacité. Des fibres tenaces et légères ainsi faites avec le procédé de microfabrication assistée par instabilité pourraient un jour servir à fabriquer des composantes aérospatiales, des harnais de sécurité, des pneus, des pare-chocs, des vestes pare-balles, etc.