Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory 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 de créer des structures de sable aux géométries complexes et à la résistance exceptionnelle, tout en étant soluble dans l’eau.
L’étude montre un pont de sable imprimé en 3D qui, à 6,5 centimètres, peut supporter 300 fois son propre poids, un exploit comparable à celui de 12 Empire State Buildings assis sur le pont de Brooklyn. Le procédé d’impression par jet de liant est moins cher et plus rapide que les autres méthodes d’impression 3D utilisées par l’industrie. Il permet de créer des structures 3D à partir de divers matériaux en poudre, offrant ainsi des avantages en termes de coût et d’évolutivité. Le concept s’inspire de l’impression à jet d’encre, mais au lieu d’utiliser de l’encre, la tête de l’imprimante projette un polymère liquide pour lier un matériau en poudre, tel que du sable, construisant ainsi une structure 3D couche par couche. C’est le polymère de liaison qui confère au sable imprimé sa résistance.
L’équipe a utilisé son expertise en matière de polymères pour concevoir un liant en polyéthylèneimine (PEI) qui a permis de doubler la résistance des pièces en sable par rapport aux liants classiques. Les pièces imprimées par jet de liant sont initialement poreuses lorsqu’elles sont retirées du lit d’impression. Elles peuvent être renforcées en infiltrant la conception avec un matériau supergluant supplémentaire appelé cyanoacrylate qui remplit les espaces. Cette deuxième étape a permis de multiplier par huit la résistance de la première étape, rendant le composite sable-polymère plus solide que tout autre et que tous les matériaux de construction connus, y compris la maçonnerie.
Les pièces formées avec des liants conventionnels sont rendues plus denses grâce à des matériaux d’infiltration, comme la super colle, mais aucun n’a atteint une performance proche de celle du liant PEI. L’impressionnante résistance du liant PEI provient de la façon dont le polymère réagit pour se lier au cyanoacrylate pendant le durcissement.
Une application potentielle du sable super résistant est l’amélioration de l’outillage pour la fabrication de composites. Le sable de silice est un matériau bon marché et facilement disponible qui suscite un intérêt croissant 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 intéressant pour l’outillage car il ne change pas de dimensions lorsqu’il est chauffé et parce qu’il offre un avantage unique en matière d’outillage lavable. « Notre composite de sable polymère à haute résistance augmente la complexité des pièces qui peuvent être fabriquées avec des méthodes de projection de liant, permettant des géométries plus complexes, et élargit les applications pour la fabrication, l’outillage et la construction », précise Dustin Gilmer, qui a dirigé ces recherches.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
