La fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D, est un procédé de prototypage rapide permettant de créer des objets de morphologie complexe à partir de ficher de type CAO (Conception assistée par l’ordinateur). Depuis les année 1980, l’impression 3D a joué un rôle majeur dans la réinvention des processus traditionnels de fabrication industrielle.
Ces dernières années, la technologie de l’impression 3D connaît une deuxième révolution grâce à l’introduction des matériaux intelligents ou fonctionnels dans les processus de fabrication additive. Cette avancée permet d’imprimer des fonctions plutôt que de simples objets statiques, changeant la façon dont nous appréhendons la relation entre matériau, forme et propriétés. Grâce à cette approche, il est désormais possible de créer des objets activables par des stimuli externes, d’où le terme « d’impression 4D », où la quatrième dimension fait référence à l’évolution temporelle ou fonctionnelle de ces objets imprimés. Dernier, mais pas pour importance, la possibilité d’imprimer de matériaux à la fois intelligents et nanocomposites permet d’élargir l’éventail des applications potentielles en créant un pont vers les domaines des nanosciences et nanotechnologies.
L’équipe du LSI associée à plusieurs équipes française et italiennes montre que, par l’incorporation de nanoparticules magnétiques et de sels d’argent, il est ainsi possible d’imprimer des objets avec des propriétés multifonctionnelles : magnétiques, électriques, magnéto-électriques et antibactériennes dans l’objet imprimé.
Dans une étude qui vient d’être publiée dans Advanced Functional Materials, une collaboration de chercheurs français et italiens a exploré la possibilité d’introduire la multifonctionnalité dans les résines nanocomposites photosensibles via l’impression 4D pilotée par la lumière de type DLP (Digital Light Processing).
L’objectif de cette recherche est d’imprimer des objets actifs ou réactifs, dont les propriétés peuvent être activées individuellement ou de façon couplée et en synergie. La nouvelle approche exploite l’intégration sélective de charges fonctionnelles dans des résines polymères imprimables en 3D, ce qui ouvre des nouvelles opportunités pour le développement de matériaux et dispositifs avancés multi-fonctionnels.
Dans ce but, une résine polymère photo-réactive (PEGDA – PolyEthylène Glycol DiAcrylate) a été enrichie en nanoparticules magnétiques (Fe3O4) afin de permettre à l’objet de répondre à l’application d’un champ magnétique externe, et en sels d’argent (AgNO3) précurseurs par photo-génération de particules d’Ag, permettant de modifier les propriétés électriques ou apportant leurs propriétés antibactériennes. En utilisant deux longueurs d’onde distinctes (lumière visible et UV), il devient possible de séparer le processus de photo-polymérisation (procédé DLP), nécessaire à la solidification de la matrice polymère, et celui de précipitation des sels d’argent. Ceci permet la réalisation de dispositifs ayant à la fois une géométrie complexe et des propriétés « à la carte ».
Figure. a) Impression 4D d’éléments multifonctionnels actifs et de géométrie complexe. Exemples d’objets 4D fonctionnalisés : b) magnéto-actif, c) électro-actif, d) magnéto-électrique et e) antibactérien.
Il est enfin montré que les réponses fonctionnelles (magnétique, électrique et/ou antibactérienne) des nanocomposites peuvent être activées individuellement ou en combinaison, ce qui peut être particulièrement intéressant pour la fabrication de dispositifs multifonctionnels intelligents avec des applications potentielles allant de l’électronique souple à la biomédecine.
Ce travail a été réalisé au Laboratoire des Solides Irradiés LSI (UMR 7642 CEA/CNRS/IPP) dans le cadre du projet PTC Quattro-D en collaboration avec le Politecnico di Torino et le Laboratoire Léon Brillouin LLB (UMR 12 CEA/CNRS).
Contact CEA : Gincarlo Rizza (LSI – Physique et Chimie des Nano-Objets (PCN).
Référence :
« 4D printing of multifunctional devices induced by synergistic role of magnetite and silver nanoparticles in polymeric nanocomposites »
Andrea Cosola, Ignazio Roppolo, Francesca Frascella, Lucia Napione, Gabriele Barrera, Paola Tiberto, Florian Turbant, Veronique Arluison, Isabelle Caldelari, Noémie Mercier, Micaela Castellino, Florian Aubrit, Giancarlo Rizza, Advanced Functional Materials (2024)
Collaboration :
- Department of Applied Science and Technology, Politecnico di Torino, Corso Duca degli Abruzzi 24, Torino, 10129 Italy
- Advanced Materials for Metrology and Life Sciences Division, INRiM, Strada delle Cacce 91, Torino, 10143 Italy
- Laboratoire Léon Brillouin, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Paris Saclay, Gif-sur-Yvette, 91190 France
- Synchrotron SOLEIL, L’Orme des Merisiers, Saint Aubin BP48, Gif-sur-Yvette, 91192 France
- Université de Strasbourg, CNRS, Architecture et Réactivité de l’ARN, UPR9002, Strasbourg, F-67000 France
- Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), CEA/DRF/IRAMIS, Ecole Polytechnique, Centre National de la Recherche Scientifique UMR7642, Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, 91128 France