Des chercheurs de l’Université de Harvard ont mis au point un moyen pour imprimer en 3D un matériau composite cellulaire avec une légèreté et une rigidité record à l’aide d’une résine époxy. C’est la première fois que l’époxy est utilisé pour de l’impression 3D, et cette avance pourrait conduire au développement de nouvelles architectures légères pour des éoliennes plus efficaces, des voitures plus rapides, et des avions plus légers.
Si vous prenez tous les matériaux connus de l’homme, qu’ils soient naturels ou artificiels, et observer leurs propriétés relatives, vous trouverez rapidement un schéma très clair: la densité et la force semblent toujours aller main dans la main. Les mousses très légères sont généralement extrêmement faibles, et à l’autre extrémité du spectre, les matériaux lourds tels que les aciers et les autres métaux sont parmi les plus résistants que nous connaissons.
Il y a, cependant, quelques valeurs. Un tel exemple est le bois de balsa, qui a une densité aussi faible que 40 kg par mètre cube, mais il est encore très résistant, grâce à une structure microscopique qui comporte un mélange très efficace de fibres de cellulose et de lignine. Le bois de balsa est donc utilisé dans des applications où des structures légères mais résistants sont critiques, depuis les pales d’éoliennes jusqu’au châssis de modèles réduits d’avions et d’hélicoptères. Il existe cependant un problème majeur d’approvisionnement, en ce que plus de 95 % des réserves mondiales de bois de balsa provient d’un seul pays, l’Equateur.
Les scientifiques de Harvard ont donc mis au point une façon de fabriquer un composite cellulaire qui est encore mieux que le bois de balsa, faisant disparaître les défauts structurels occasionnels dans le bois qui peut le rendre moins fiable en tant que matériau de construction.
Les chercheurs se sont inspirés de la structure microscopique du balsa, qui est le plus souvent creux et dans lequel seules les parois cellulaires supportent la charge. Ils ont donc construit leur nouveau composite en utilisant une résine à base d’époxy contenant des plaquettes de nanoargile pour augmenter la viscosité, ainsi que les deux types de substances de remplissage : des fibres de carbure de silicium, et des fibres discrètes de carbone.
Une caractéristique très intéressante est le fait que les chercheurs peuvent contrôler la rigidité exacte de la matière en changeant l’orientation des substances de remplissage en fonction des besoins. Orienter les fibres de carbure de silicium perpendiculairement à la direction qui devront faire face à plus de charge, rend le matériau plus résistant – pour la même raison qu’il est plus facile de couper du bois longitudinalement et non perpendiculairement à ses fibres.
Cette propriété adaptable signifie que les concepteurs peuvent intégrer numériquement dans la composition, la rigidité et la ténacité d’un objet dès le début, et la rendre compatible avec les spécifications désirées.
Selon le chercheur principal, le Professeur Jennifer A. Lewis, leur recherche est une étape importante, car elle ouvre la voie à l’impression 3D utilisant des matériaux tels que des époxydes, qui peuvent être utilisés pour des applications structurelles, contrairement aux thermoplastiques que votre imprimante 3D classique utilise.
En utilisant cette résine, Jennifer Lewis et ses collègues obtenus composites qui sont aussi rigides que du bois, jusqu’à 20 fois plus rigides que les polymères imprimés 3D commerciaux, et deux fois plus fort que les plus résistants polymères composites imprimés jusqu’à présent.
Les applications de cette technologie pourraient inclure des éoliennes plus efficaces et peut-être l’architecture innovante pour la construction de voitures plus légères mais sécurisées pour un kilométrage plus long.
