Impression 3D multi-matériaux : Révolutionner la conception et la fonctionnalité

Explorez le potentiel de transformation de l'impression 3D multi-matériaux, qui permet de fabriquer des objets complexes aux propriétés personnalisées dans des secteurs tels que l'aérospatiale, la biomédecine et l'électronique. Découvrez les techniques, les applications et l'avenir de la fabrication additive.

Impression 3D multi-matériaux : Création d'objets composites pour une meilleure fonctionnalité

Cet article commence par une introduction qui souligne l'importance de l'impression 3D multi-matériaux dans le développement de produits. Il se penche ensuite sur les différentes approches techniques de l'impression multi-matériaux, couvrant des techniques telles que le jet de matière, la modélisation par dépôt fusionné (FDM), la stéréo-lithographie (SLA), la fusion sur lit de poudre (PBF), et les méthodes d'impression séquentielle et conjointe. La discussion porte ensuite sur les applications de l'impression 3D multimatériaux dans divers domaines, notamment la biomédecine, l'aérospatiale, les produits de consommation et l'électronique. L'article aborde également les défis actuels et les orientations futures, en se concentrant sur les obstacles techniques et les progrès de la recherche.

La fabrication de substances ajoutées a modifié l'évolution des articles en permettant une mise en valeur rapide des plans et l'assemblage à la demande de calculs complexes. Quoi qu'il en soit, la fabrication Impression 3D est limitée à la création d'objets à partir d'un seul matériau. L'impression 3D multi-matériaux surmonte cet obstacle en permettant d'assembler différents matériaux à l'intérieur d'un même objet. Cette progression permet à l'impression 3D de dépasser le stade du prototypage essentiel en autorisant la conception de propriétés matérielles modifiées à des endroits précis d'une section.

Les assemblages complexes peuvent désormais être dupliqués sous forme de pièces individuelles, ce qui facilite l'assemblage. Les capacités multi-matériaux permettent également de créer de nouveaux modèles idéaux qui étaient auparavant inaccessibles. Cet article étudie le domaine émergent de l'impression 3D multi-matériaux et le potentiel de développement de nouveaux articles. Les différentes approches spécialisées pour réaliser des impressions multi-matériaux seront passées en revue, depuis les philosophies de flux jusqu'aux techniques de lit de poudre. D'importants cas d'utilisation dans les entreprises sont également examinés afin de présenter des applications certifiables.

Enfin, la dynamique des difficultés spécialisées tend à se refermer grâce à de nouvelles recherches prometteuses qui repoussent les limites de la production de substances ajoutées multi-matériaux. Le développement continu de ce domaine promet de mettre à la portée des concepteurs et des acheteurs la solidification de pièces utiles et des plans déjà inconcevables. Un examen pourrait offrir des expériences utiles sur l'intérêt croissant pour l'innovation en matière d'impression 3D multi-matériaux.

Une corrélation des volumes de recherche pour des mots clés tels que "impression 3D multi-matériaux" par rapport à des termes plus généraux tels que "impression 3D" permettrait de mesurer la prise de conscience et la réception de cette stratégie particulière de production de substances ajoutées au bout d'un certain temps. L'examen des contrastes territoriaux dans les volumes de recherche pourrait donner des indications sur les régions qui sont à l'origine de la tournure des événements et de l'adoption des applications d'impression 3D multimatériaux. Cela pourrait aider les bailleurs de fonds potentiels ou les organisations qui espèrent entrer dans des secteurs d'activité en développement.

L'analyse des termes de recherche connexes pourrait donner une idée des principales industries qui suscitent actuellement l'intérêt et l'investissement dans les capacités d'impression 3D multi-matériaux. Les termes de recherche liés à des secteurs tels que l'aérospatiale, la médecine, l'électronique, etc. pourraient être analysés et comparés. Les fluctuations saisonnières des volumes de recherche sur les sujets liés à l'impression 3D multi-matériaux peuvent être corrélées avec les salons professionnels, les semestres universitaires ou les cycles de lancement des produits, ce qui permet de mieux comprendre les influences sur les progrès de la recherche et du développement.

Suivi de l'augmentation ou de la diminution de la part de recherche au fil du temps pour les entreprises qui se développent L'impression 3D dans le prototypage pourrait donner une idée de l'évolution de la dynamique concurrentielle et des tendances en matière d'adoption de la technologie au sein du secteur. Bien qu'il s'agisse encore d'un domaine émergent, l'analyse aiderait à quantifier la prise de conscience et l'adoption croissantes de cette nouvelle étape de la technologie de fabrication additive dans le monde.

Techniques de projection de matériaux pour l'impression multi-matériaux

Le jet de matière est bien adapté à l'impression 3D multi-matériaux car il permet de déposer simultanément différents matériaux par le biais de plusieurs têtes d'impression. Cela permet de produire des géométries complexes avec un contrôle précis de la transition entre les matériaux. L'un des avantages essentiels du flux de matériaux est sa capacité à créer des feuilles avec une précision à l'échelle microscopique et des surfaces lisses. L'une des principales innovations en matière d'impression 3D multi-matériaux utilisant le flux de matériaux est le cadre Connex de Stratasys.

Le système Connex utilise l'impression 3D par jet d'encre et est capable de projeter deux ou trois matières plastiques différentes pendant le processus d'impression. Cela permet de créer des pièces contenant des zones aux propriétés différentes, telles que la flexibilité et la rigidité. Stratasys a développé pour le système Connex des matériaux compatibles qui ont été optimisés pour produire simultanément des pièces présentant ces différentes caractéristiques. Dans le cas du jet de matériau, les têtes d'impression projettent des gouttelettes de résine photosensible sur la plate-forme de construction.

Ces gouttelettes se solidifient rapidement lorsqu'elles sont exposées à la lumière ultraviolette, ce qui permet d'accumuler rapidement des couches successives. Les têtes d'impression à jet de matière sont capables de déposer sélectivement différents matériaux avec une précision à l'échelle microscopique. La transition entre les matériaux projetés par plusieurs têtes d'impression est donc très précise, avec un minimum de mélange ou de saignement à la frontière entre les matériaux. Les progrès réalisés permettent d'élargir la gamme des matériaux pouvant être traités à l'aide des techniques de projection de matériaux.

Nano dimension a mis au point des "encres numériques" conductrices et diélectriques qui peuvent être projetées simultanément pour produire de l'électronique électriquement fonctionnelle par projection de matériaux. Cela permet d'éviter l'assemblage ultérieur de circuits et de créer des objets composites avec des composants électriques intégrés. Il est également possible de combiner plusieurs encres pour obtenir des capacités d'impression en couleur. Par exemple, l'objet500 Connex Matériaux d'impression 3D de Stratasys sont capables d'imprimer des modèles comportant jusqu'à 16 millions de couleurs en projetant des ratios variables de matériaux photopolymères colorés. Cette application esthétique démontre le contrôle précis de la composition des matériaux que permet le jet de matière.

Approches de modélisation par dépôt en fusion

La modélisation par dépôt fusionné (FDM) est une autre stratégie d'impression 3D adaptée aux applications multimatériaux. FDM fonctionne en ramollissant et en expulsant les fibres thermoplastiques couche par couche, et est équipée pour traiter un grand nombre de matériaux afin de les transformer en pièces utilitaires. Une approche courante de l'impression FDM multi-matériaux consiste à utiliser plusieurs extrudeuses montées sur la même tête d'impression. Chaque extrudeuse peut être contrôlée indépendamment pour déposer différents matériaux simultanément ou en séquence. De nombreuses imprimantes FDM de bureau proposent désormais des options à double extrudeur pour faciliter l'impression multi-matériaux de base.

Des implémentations plus avancées impliquent des systèmes FDM sur mesure avec quatre extrudeuses indépendantes ou plus. L'un de ces systèmes a été utilisé pour imprimer en 3D des constructions tissulaires complexes en extrudant séquentiellement des matériaux pour définir différentes structures cellulaires, des matrices extracellulaires et des modèles de cellules intégrées. Un autre avantage clé de la FDM est sa capacité à produire des matériaux élastiques comme le TPU, ce qui permet de combiner des pièces flexibles avec des plastiques plus rigides.

Une étude a utilisé le procédé FDM pour imprimer en 3D des orthèses de poignet en alternant des couches d'ABS et de TPU pour les sections rigides et flexibles. Le contrôle de l'interface entre les différents matériaux déposés est important pour la FDM. Une méthode consiste à utiliser un processus de mélange passif dans la tête d'impression pour produire des transitions graduelles aux limites. D'autres études ont porté sur les traitements de surface visant à améliorer l'adhérence entre des plastiques imprimés par FDM non miscibles.

Stéréo-lithographie et techniques de fusion sur lit de poudre

La stéréo-lithographie (SLA) est un procédé d'impression 3D basé sur la photopolymérisation d'un réservoir typique qui utilise une source de lumière vive pour fixer spécifiquement la sève fluide dans des dessins solides, couche par couche. Pour l'impression multi-matériaux utilisant la SLA, les analystes ont créé des stratégies, par exemple, en utilisant différents réservoirs de goudron qui peuvent être échangés entre eux ou en incorporant des cadres de mélange de goudron uniques. Les techniques de fusion sur lit de poudre (PBF) comme le frittage laser spécifique (SLS) et la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) consistent à fusionner spécifiquement des matériaux en poudre à l'aide d'une source d'énergie telle qu'un laser ou une barre d'électrons.

Contrairement à l'ALS, ces techniques permettent normalement l'utilisation de divers matériaux en poudre dans la mesure où ils peuvent être combinés de manière spécifique. Les premières approches de la FBP multimatériaux consistaient à créer des filaments ou des poudres pré-mélangées contenant différents matériaux. Les systèmes plus avancés intègrent désormais plusieurs mécanismes indépendants d'alimentation en poudre pour déposer différents matériaux. Par exemple, un système propriétaire de LPBF multi-matériaux a été développé pour délivrer des poudres à partir d'alimentations indépendantes à travers des buses dans la tête d'impression 3D.

Le contrôle précis des paramètres de dépôt et de fusion de la poudre est important pour obtenir des résultats solides. HP multi jet fusion entre des matériaux dissemblables imprimés à l'aide de la technique PBF. Des facteurs tels que la puissance du laser, la vitesse de balayage, l'espacement des hachures et l'épaisseur des couches influencent la capacité à combiner les matériaux et à éviter les défauts à leur interface. Des traitements thermiques post-traitement sont également parfois nécessaires pour densifier complètement les pièces et améliorer la liaison lors de l'utilisation de poudres métalliques incompatibles. Dans l'ensemble, les deux ALS et PBF offrent la possibilité de fabriquer des pièces à partir d'une large gamme de matériaux et ont bénéficié des progrès qui facilitent l'impression multi-matériaux grâce à des systèmes modifiés.

Méthodes d'impression séquentielle et de coimpression

Il existe deux façons principales de traiter l'impression 3D multi-matériaux : l'impression successive et la co-impression de nombreux matériaux. L'impression successive consiste à stocker les différents matériaux petit à petit, tandis que la co-impression permet de stocker les matériaux en même temps. Pour les techniques d'impression 3D basées sur l'extrusion, l'impression séquentielle est généralement réalisée à l'aide de plusieurs extrudeuses ou têtes d'impression. Une imprimante à écriture directe à l'encre (DIW) construite sur mesure comportait quatre réservoirs d'encre indépendants qui pouvaient déposer avec précision différentes encres biologiques dans une séquence prédéfinie afin d'imprimer en 3D des constructions tissulaires complexes avec des structures et des modèles cellulaires variés.

Une autre étude a utilisé un système DIW multi-extrudeuse similaire pour imprimer séquentiellement des encres conductrices d'ions, des encres fugitives et des matrices élastomères afin de fabriquer des actionneurs robotiques souples avec des réseaux sensoriels et fluidiques intégrés. Le contrôle précis du mouvement de l'axe z de chaque extrudeuse a permis d'intégrer de manière transparente les différentes caractéristiques fonctionnelles. Le jet de liant est un procédé de fabrication additive qui permet le dépôt séquentiel de divers matériaux en poudre.

Des chercheurs ont étudié la possibilité d'utiliser la technique du binder jetting pour déposer séquentiellement des encres à base de phosphate de fer lithié et de titanate de lithium dans les Outillage d'impression 3D des architectures de batteries à haute densité énergétique. Le procédé consiste à déposer d'abord un matériau d'électrode puis l'autre en couches alternées pour créer des structures cathodiques et anodiques interdigitées. Pour la co-impression de matériaux multiples, les approches consistent à mélanger ou à passer d'un matériau à l'autre au cours du processus d'impression sans interrompre la construction.

Des têtes d'impression microfluidiques ont été mises au point pour permettre le mélange et l'écoulement continus d'encres viscoélastiques, ce qui permet d'obtenir des gradients et des variations de composition au sein d'une même pièce imprimée en 3D. Des imprimantes 3D modifiées ont également intégré plusieurs têtes d'impression ou buses contrôlées indépendamment pour co-imprimer des matériaux. Un système a utilisé 16 buses espacées selon un motif interdigité pour déposer de manière conforme des matériaux souples sur des substrats dans une séquence régulée sans interrompre l'impression. Les chercheurs ont également imprimé des treillis polymères multi-matériaux en faisant passer des encres polymères différentes par deux têtes d'impression simultanément. Dans l'ensemble, les méthodes d'impression séquentielle et de co-impression élargissent l'espace de conception des objets imprimés en 3D grâce à l'inclusion contrôlée de différents matériaux dans des arrangements spatiaux complexes.

Applications de l'impression 3D multi-matériaux

L'impression 3D multi-matériaux a trouvé des applications dans diverses industries en permettant la fabrication d'objets complexes contenant des zones ou des composants aux propriétés personnalisées. Les principaux domaines d'application qui tirent parti de cette technologie sont la biomédecine, l'aérospatiale, les produits de consommation et l'électronique. En biomédecine, les chercheurs ont utilisé les progrès de la bio-impression 3D pour des applications d'ingénierie tissulaire. Une étude a utilisé une imprimante 3D multi-extrudeuse pour produire des constructions tissulaires contenant différents types de cellules vivantes positionnées avec précision sur des couches individuelles, pour des applications telles que des études de culture cellulaire.

Cette approche a permis de cultiver plusieurs lignées cellulaires dans une seule construction imprimée. Les implants orthopédiques et dentaires sont d'autres domaines biomédicaux qui adoptent l'impression 3D multimatériaux. Par exemple, l'impression 3D a été utilisée pour créer des implants osseux personnalisés contenant des céramiques ostéoconductrices déposées dans une matrice polymère biocompatible. La possibilité de grader différents matériaux permet d'optimiser les propriétés de l'implant en fonction des caractéristiques locales de l'os. une meilleure intégration d'Osseo.

Dans l'aérospatiale, l'impression 3D multimatériaux contribue à optimiser les conceptions légères en permettant de placer des alliages à haute résistance dans les zones porteuses, ainsi que des composants thermoplastiques moulés par injection ou coulés dans les zones moins critiques. Une étude l'a utilisée pour imprimer en 3D des échangeurs de chaleur pour des turbines à gaz par dépôt sélectif d'acier inoxydable et d'alliages Inconel. Les entreprises de produits de consommation ont tiré parti de l'impression 3D multimatériaux pour fabriquer des poignées, des semelles et d'autres composants ergonomiques en incorporant du plastique rigide à des élastomères thermoplastiques doux au toucher.

La fabrication d'équipements sportifs en a également bénéficié, la technologie permettant de créer des raquettes, des équipements de protection et d'autres équipements aux performances personnalisées. L'industrie électronique utilise l'impression 3D multimatériaux pour intégrer des traces conductrices, des soudures, des matrices et d'autres composants électroniques dans des boîtiers et des cartes de circuits imprimés. Une étude a démontré l'existence de batteries entièrement imprimées en 3D contenant des sections distinctes de cathode, de séparateur et d'anode pour des applications électroniques portables. À mesure que l'accessibilité et les capacités de l'impression 3D multimatériaux augmentent, ses applications devraient s'étendre à de nouveaux domaines tels que la robotique douce, l'architecture et la conception de produits durables, où la multifonctionnalité intégrée offre des avantages uniques.

Conclusion

L'impression 3D multi-matériaux est une innovation émergente dans le domaine de la fabrication de substances ajoutées qui permet d'améliorer le plan et l'utilité des pièces en assemblant de nombreux matériaux dans un seul objet imprimé. Comme nous l'avons vu dans cet article, il existe quelques techniques pour produire des pièces multimatériaux, chacune ayant ses avantages et ses limites en fonction de l'application. Entre-temps, les mélanges de matériaux viables continuent d'élargir les résultats concevables. D'énormes progrès sont réalisés pour résoudre les difficultés liées à la tenue interfaciale, aux charges thermiques et au mélange exact ou au témoignage des matériaux constitutifs.

Les progrès réalisés dans les structures moitié-moitié améliorent encore le contrôle et l'assemblage. La création à haut débit reste également un travail en cours, mais les méthodologies volumétriques présentent des garanties. D'une manière générale, l'impression 3D multi-matériaux offre aux spécialistes et aux créateurs de mode une adaptabilité phénoménale qui leur permet d'adapter les propriétés à la demande. L'impression 3D multi-matériaux progressera au fur et à mesure que les différents processus d'AM s'amélioreront, que de nouveaux plans de matériaux apparaîtront et que de nouvelles applications seront étudiées. Les taux de création s'adaptant à la complexité sous-jacente restent essentiels pour reconnaître la capacité maximale.

Les portes ouvertes sont immenses pour les entreprises qui recherchent des composites avec des inclinaisons prescrites ou du matériel incorporable. La bio-inspiration inspire en outre des développements plus coordonnés et plus complexes sur le plan pratique grâce à l'union de plusieurs matériaux. Avec un développement et un raffinement supplémentaires, le domaine est en mesure de changer la fabrication dans toutes les disciplines.

FAQ

Q : Quelles sont les techniques fondamentales utilisées pour l'impression 3D multi-matériaux ?

R : Les principales techniques actuellement utilisées sont le flux de matériaux, la démonstration par témoignage fusionné (FDM), la lithographie stéréoscopique, la fusion sur lit de poudre et la composition directe d'encre. Chaque approche présente des avantages et des inconvénients en fonction de l'application.

Q : Quels types de composants peuvent être combinés avec l'impression 3D multimatériaux ?

R : Il est également coutumier d'aborder la question des matériaux qui peuvent être fusionnés pour créer un composant unique par 3DP : il existe de nombreux types de thermoplastiques et de polymères, de métaux, de céramiques, de biomatériaux et de composites. Le mélange pratique dépend des concentrés de dissolution, des taux de rétraction et des propriétés de liaison.

Q : Comment fonctionnent ces techniques d'impression multimatériaux ?

R : Les stratégies changent mais, pour la plupart, il s'agit de co-sauvegarder ou de conserver successivement divers matériaux. Les approches comprennent l'utilisation de cadres d'impression à têtes multiples, le mélange d'encres à la volée, la restauration spécifique de matériaux incomparables et la pénétration de plates-formes imprimées. La maîtrise de la disposition des matériaux est essentielle.

Q : Quelles sont les utilisations de l'impression 3D multi-matériaux ?

R : Les applications comprennent la biomédecine, l'aviation, les produits d'achat et les gadgets. Les utilisations normales comprennent les armatures tissulaires, les inserts ajustés, les constructions légères, les modèles pratiques et les gadgets avec des circuits/capteurs intégrés.

Q : Quelles sont les difficultés qui subsistent pour l'impression 3D multi-matériaux ?

R : Les principales difficultés rencontrées en permanence concernent l'adhérence interfaciale entre des matériaux disparates, la limitation des variables sur le débit et les taux de création, la rationalisation des vitesses d'impression sans renoncer à l'objectif, et l'élargissement de la bibliothèque des mélanges de matériaux viables.