Impression 3D : nouvelles perspectives pour les matériaux énergétiques

Plus l’impression 3D gagne de nouveaux terrains industriels, plus ses techniques se peaufinent et sa gamme de matériaux s’élargit. La catégorie des matériaux énergétiques présente spécialement plusieurs défis aux ingénieurs, car ils nécessitent des mesures et une maîtrise particulières. Des chercheurs de l’Université Purdue ont mis au point une nouvelle méthode d’impression 3D rapide, sécuritaire et capable de produire des matériaux énergétiques plus écologiques.

Qu’est-ce qu’un matériau énergétique?

Les matériaux énergétiques se caractérisent par leur capacité à libérer intensément de l’énergie en un temps très court. Ils peuvent être sous forme solide, liquide ou gazeuse et sont mis à profit dans des applications militaires et civiles. L’énergie libérée peut être utilisée comme énergie thermique ou mécanique. À partir de ces matériaux, on peut fabriquer, par exemple, des explosifs et du matériel pyrotechnique.

Une nouvelle approche

L’équipe a utilisé une simple imprimante à jet d’encre afin d’imprimer un matériau à base de nanothermite. Comme l’explique la vidéo suivante, les nanothermites sont des composites à base d’oxydants et de réducteurs mélangés à l’échelle nanométrique. Ils se caractérisent par la production d’une grande quantité de chaleur lorsqu’ils sont enflammés.

L’imprimante doit imprimer ce type de matériau avec précaution en évitant de créer des vides, car cela peut provoquer des accidents dangereux. Pour ce faire, l’équipe a doté l’imprimante d’un dispositif qui permet de déposer les matériaux énergétiques en toute sécurité, en atteignant un niveau de précision élevé. La buse de l’imprimante génère des vibrations ultrasoniques de forte amplitude, ce qui réduit le frottement des matériaux très visqueux sur ses parois et en assure le passage. La méthode permet également de réguler le débit de façon plus précise.

L’équipe a créé cette technologie afin d’imprimer des matériaux visqueux, d’une consistance semblable à celle de l’argile. Ce type de matériau présente plusieurs contraintes dans l’impression de pièces à haute résolution. Jeffrey Rhoads, professeur à la Purdue’s School of Mechanical Engineering et co-auteur de l’étude, a déclaré que cette méthode se distingue par sa capacité à imprimer des matériaux énergétiques sans avoir recours aux solvants pour en réduire la viscosité. Grâce à cette nouvelle technologie, la production est plus rapide, plus écologique et coûte moins cher. La méthode peut être aussi utilisée dans l’impression d’implants biomédicaux, d’aliments, de médicaments, etc.

Tests effectués

L’étude s’intitule « Selectively-deposited energetic materials: A feasibility study of the piezoelectric inkjet printing of nanothermites ». Elle a été coécrite par Allison K. Murray, Whitney A. Novotny, Trevor J. Fleck, I. Emre Gunduz, Steven F. Son, George T-C. Chiu, et Rhoads, et a été publiée dans Science Direct au mois d’août 2018.

Cette étude a permis de démontrer la faisabilité et l’efficacité de la méthode proposée. Les chercheurs ont testé trois imprimantes à jet d’encre piézoélectrique afin de vérifier la capacité de chaque système à réaliser des pièces à base de nanothermite d’oxyde d’aluminium et de cuivre. L’équipe a aussi testé la vitesse de propagation et de combustion du matériau à partir des échantillons obtenus.

Perspectives professionnelles

Rhoads a lancé l’entreprise en démarrage Next Offset Solutions Inc. en collaboration avec ses collègues. L’entreprise est spécialisée dans la fabrication des imprimantes 3D et des matériaux énergétiques. Elle ambitionne de fournir ses produits au Département de la Défense et au Département de l’Énergie des États-Unis ainsi qu’à leurs sous-traitants.

Le nouveau procédé d’impression a été breveté avec l’aide du Purdue Office of Technology Commercialization.