Résistance à la rupture et à la fatigue démultipliée : un élastomère imprimable en 3D surprend par ses propriétés

À l’école Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), des chercheurs ont découvert qu’une encre élastomère originellement conçue pour faciliter l’impression 3D avait aussi une meilleure résistance au temps, à la rupture et à l’usure.

Ce qui devait être un travail autour de la fabrication additive va en fait bien plus loin. Mais pour bien comprendre de quoi on parle, il faut remonter en 2024. Le Laboratoire des matériaux souples (SMaL) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL développe alors des élastomères granulaires à double réseau imprimables en 3D (DNGE) pour pouvoir jouer sur les propriétés mécaniques des matériaux et ainsi permettre la création d’actionneur et de robots souples.

Le prototype DNGE de « doigt », avec des « os » rigides entourés de « chair » molle (crédits photo : Adrian Alberola)

Comment fonctionnent ces élastomères DNGE ?

Concrètement, ces DNGE sont composés de deux réseaux d’élastomères. On peut citer le communiqué de presse de l’époque : “Des microparticules d’élastomère sont produites à partir de gouttes d’émulsion huile dans eau. Ces microparticules sont placées dans une solution précurseur, où elles absorbent des composés élastomères et gonflent. Ensuite, les microparticules gonflées sont utilisées pour fabriquer une encre imprimable en 3D, qui est chargée dans une bio-imprimante pour créer la structure souhaitée. Le précurseur est polymérisé dans la structure imprimée en 3D, créant un second réseau élastomère qui rigidifie l’ensemble de l’objet.”

Pour résumer, on a un matériau qui peut s’ajuster en termes de rigidité (grâce au premier réseau d’élastomères) et de ténacité (via le deuxième réseau).

Deux ans plus tard, la recherche progresse

Deux ans plus tard, la recherche se poursuit et les résultats sont surprenants. L’équipe découvre que ces DNGE sont 15 fois plus tenaces et 3 fois plus résistants à la fatigue. Une belle avancée dans le monde des matériaux car généralement, les élastomères qui résistent bien à la rupture accumulent des dommages sous l’effet de contraintes mécaniques et donc ont une durée de vie limitée ; et ceux qui résistent à la fatigue auront tendance à casser s’ils sont soumis à trop de chocs ou d’étirements.

À gauche : les élastomères granulaires à double réseau ; à droite : le processus d’impression de ces matériaux (crédits photo : SMaL EPFL CC BY SA)

On a donc un élastomère qui présente les deux qualités. Mais comment l’expliquer ? Quand cet élastomère est étiré, les contraintes vont passer des microparticules rigides vers les zones plus souples ce qui va entraîner une dissipation de l’énergie. Les chaînes polymères vont se réorganiser au lieu de casser définitivement les liaisons. Aussi, la structure granulaire de l’élastomère va modifier la propagation des fissures : on n’a plus un schéma linéaire. Elles vont en effet contourner les particules, passer par les zones souples et vont donc être ralenties. La rupture est ainsi retardée.

Esther Amstad, responsable du SMaL, conclut : « Notre objectif est de réaliser des matériaux plus durables sans faire de compromis sur les propriétés mécaniques. En élargissant l’éventail des matériaux utilisables, on peut non seulement réduire l’empreinte environnementale des DNGE, mais aussi les rendre plus accessibles à tout laboratoire disposant d’une imprimante 3D commerciale. »

La recherche n’est donc pas finie ! En tout cas, on a hâte de voir comment ces élastomères participeront à la fabrication de robots souples, de dispositifs biomédicaux ou encore d’appareils électroniques plus résistants dans la durée. En attendant, vous pouvez consulter le communiqué de presse officiel ICI.

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*Crédits photo de couverture : Titouan Veuillet