Un nouveau polymère développé au Oak Ridge National Laboratory renforce le sable pour les applications de fabrication additive. Un pont de sable imprimé en 3D de 6,5 centimètres, montré ici, supportait 300 fois son propre poids. Crédit : Dustin Gilmer/Université du Tennessee, Knoxville
Des chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont conçu un nouveau polymère pour lier et renforcer le sable de silice pour la fabrication additive par jet de liant, une méthode d’impression 3D utilisée par les industries pour le prototypage et la production de pièces.
Le polymère imprimable permet des structures de sable avec des géométries complexes et une résistance exceptionnelle – et est également soluble dans l’eau.
L’étude, publiée dans Communication Nature, montre un pont de sable imprimé en 3D qui, à 6,5 centimètres, peut supporter 300 fois son propre poids, un exploit analogue à 12 Empire State Buildings assis sur le pont de Brooklyn.
Le processus d’impression par jet de liant est moins cher et plus rapide que les autres méthodes d’impression 3D utilisées par l’industrie et permet de créer des structures 3D à partir d’une variété de matériaux en poudre, offrant des avantages en termes de coût et d’évolutivité. Le concept découle de l’impression à jet d’encre, mais au lieu d’utiliser de l’encre, la tête d’impression projette un polymère liquide pour lier un matériau en poudre, tel que du sable, créant ainsi une conception 3D couche par couche. Le polymère liant est ce qui donne au sable imprimé sa résistance.
L’équipe a utilisé l’expertise des polymères pour concevoir un liant polyéthylèneimine, ou PEI, qui a doublé la résistance des pièces de sable par rapport aux liants conventionnels.
Les pièces imprimées par jet de liant sont initialement poreuses lorsqu’elles sont retirées du lit d’impression. Ils peuvent être renforcés en infiltrant la conception avec un matériau de super-colle supplémentaire appelé cyanoacrylate qui comble les lacunes. Cette deuxième étape a permis d’augmenter la résistance par huit en plus de la première étape, rendant un composite de sable polymère plus résistant que tout autre et tout autre matériau de construction connu, y compris la maçonnerie.
Tomonori Saito, scientifique du Laboratoire national d’Oak Ridge, montre un château de sable imprimé en 3D à l’installation de démonstration de fabrication du DOE à l’ORNL. Crédit : Carlos Jones/ORNL, Département américain de l’énergie
« Peu de polymères sont adaptés pour servir de liant pour cette application. Nous recherchions des propriétés spécifiques, telles que la solubilité, qui nous donneraient le meilleur résultat. Notre principale découverte réside dans la structure moléculaire unique de notre liant PEI qui le rend réactif avec le cyanoacrylate pour obtenir une résistance exceptionnelle », a déclaré Tomonori Saito de l’ORNL, chercheur principal sur le projet.
Les pièces formées avec des liants conventionnels sont rendues plus denses avec des matériaux infiltrés, tels que la super colle, mais aucune n’a atteint les performances du liant PEI. La force impressionnante du liant PEI provient de la façon dont le polymère réagit pour se lier au cyanoacrylate pendant le durcissement.
Une application potentielle du sable ultra-résistant est de faire progresser l’outillage pour la fabrication de composites.
Le sable de silice est un matériau bon marché et facilement disponible qui suscite de plus en plus d’intérêt dans les secteurs de l’automobile et de l’aérospatiale pour la création de pièces composites. Les matériaux légers, tels que la fibre de carbone ou la fibre de verre, sont enroulés autour de noyaux de sable imprimés en 3D, ou « outils », et durcis à la chaleur. Le sable de silice est attrayant pour l’outillage car il ne change pas de dimensions lorsqu’il est chauffé et parce qu’il offre un avantage unique dans l’outillage lavable. Dans les applications composites, l’utilisation d’un liant soluble dans l’eau pour former des outils de sable est importante car elle permet une simple étape de lavage avec de l’eau du robinet pour éliminer le sable, laissant une forme composite creuse.
“S’assurer précision dans les pièces d’outillage, vous avez besoin d’un matériau qui ne change pas de forme au cours du processus, c’est pourquoi le sable de silice est prometteur. Le défi a été de surmonter la faiblesse structurelle des parties sablonneuses », a déclaré Dustin Gilmer, étudiant au Bredesen Center de l’Université du Tennessee et auteur principal de l’étude.
Les moules et noyaux de coulée en sable actuels ont une utilisation industrielle limitée car les méthodes commerciales, telles que l’outillage de lavage, appliquent de la chaleur et de la pression qui peuvent provoquer la rupture ou la défaillance des pièces de sable du premier coup. Des pièces de sable plus solides sont nécessaires pour soutenir la fabrication à grande échelle et permettre une production de pièces rapide.
« Notre composite de sable polymère à haute résistance augmente la complexité des pièces pouvant être fabriquées avec des méthodes de jet de liant, permettant des géométries plus complexes et élargit les applications pour la fabrication, l’outillage et la construction », a déclaré Gilmer.
Le nouveau liant a remporté un prix R&D 100 en 2019 et a été licencié par le partenaire industriel ExOne pour la recherche.
Référence « Fabrication additive de structures de sable de silice solides activées par un liant polyéthylèneimine » par Dustin B. Gilmer, Lu Han, Michelle L. Lehmann, Derek H. Siddel, Guang Yang, Azhad U. Chowdhury, Benjamin Doughty, Amy M. Elliott et Tomonori Saito, le 26 août 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-25463-0
Le travail a été parrainé par l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE et a utilisé des ressources soutenues par l’Office of Science du DOE.
