Un tissu imprimé en 3D absorbe jusqu’à 96% d’un impact sans se rompre

A l’école Polytechnique de Montréal, une équipe de chercheurs du département de génie mécanique s’est intéressée à un polymère de plus en plus prisé par le secteur de la fabrication additive : le polycarbonate (PC). En le chauffant, ils expliquent qu’ils ont pu en faire un adhésif et imprimer en 3D un tissu capable d’absorber jusqu’à 96% d’un impact sans se casser. En s’appuyant sur un procédé de dépôt de matière fondue, l’équipe aurait imprimé des fibres de moins de 2 mm d’épaisseur qui, une fois liées entre elles à l’image d’une toile d’araignée, seraient extrêmement résistantes. Un développement qui pourrait être des plus intéressants pour concevoir des pièces nécessitant un haut degré de résistance à l’impact et donc pour des applications de protection.

Réputé pour sa transparence et sa résistance à l’impact, le polycarbonate est un plastique prisé par l’industrie manufacturière, notamment par l’impression 3D. Même s’il est plus difficile à extruder que le PLA par exemple, exigeant une maîtrise de la chaîne thermique précise, il intéresse plusieurs secteurs d’activité de par sa faible densité (notamment par rapport au verre) et sa grande solidité. Notre équipe de chercheurs canadiens s’est quant à elle penchée sur le PC car une fois chauffé, il peut être moulé en un adhésif collant, comparable à du miel. Ils ont ainsi pu créer une matrice élastomère reproduisant les caractéristiques d’une toile d’araignée qui, rappelons le, peut être 5 fois plus résistante que l’acier, 2 fois plus souple que le nylon et extrêmement légère.

Le tissu imprimé en 3D absorbe l’impact

L’équipe explique qu’elle a utilisé une imprimante 3D FDM pour extruder le polycarbonate en question. Le polymère aurait été partiellement fondu puis extrudé à grande vitesse sur le plateau. Menée par le professeur Frédérick Gosselin, elle a ainsi pu tisser une série de fibres de moins de  moins de 2 mm d’épaisseur. Le processus a été répété et plusieurs fibres ont été imprimées en 3D à un angle de 90° jusqu’à ce que toute la toile soit solidifiée. Au cours du processus, le plastique fondu crée des cercles pour former une séquence de boucles. Selon le professeur Gosselin, les boucles se transforment en liens sacrificiels, qui sont des liaisons amovibles après l’impression, pour donner à la fibre une résistance supplémentaire. 

Il explique : “Nous proposons un composite transparent absorbant les chocs qui reproduit le mécanisme de durcissement impliquant des liens sacrificiels et des longueurs cachées dans la soie d’araignée. Notre matériau se compose d’une matrice élastomère et d’un tissu bidirectionnel de fibres microstructurées imprimé en 3D, avec des liens sacrificiels et des boucles alternées. Sous l’impact, les boucles cachées se déploient après la rupture des liens et la fissuration de la matrice, résistant à l’impact du percuteur avec une défaillance gracieuse.”

Plusieurs tests ont été réalisés pour étudier le comportement de ces fibres. Tout d’abord, l’équipe a cherché à savoir si l’intégration de ce tissu imprimé en 3D dans une vitre l’empêcherait de se briser. Elle affirme qu’au lieu d’éclater, le matériau s’est déformé à certains endroits mais qu’il a gardé sa forme générale. Un autre test d’impact a été mené, cette fois-ci avec une balle de base-ball : l’objectif était de voir si cette fausse toile d’araignée pouvait la rattraper en chute libre. La balle de 500 g a été lâchée d’une hauteur de 66 cm : sous l’impact, l’énergie cinétique de la balle aurait été largement dissipée par la rupture des liens sacrificiels et le déploiement de leurs longueurs cachées. Les résultats ont montré le même mécanisme de dissipation d’énergie que celui des toiles d’araignée.

Ce travail de recherche pourrait être particulièrement intéressant pour concevoir des applications de protection – on pense notamment à du verre pare-balles ou encore à un revêtement pour les moteurs d’avion ou autres usages dans l’aérospatiale. Vous pouvez retrouver l’ensemble de l’étude ICI.

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