Fabrication additive Nouvelles
Des matériaux composites réalisés en impression 4D

Dans la course à la conception de techniques plus rapides et moins coûteuses pour fabriquer des objets comme des satellites, un nouveau concurrent fait sa place : l’impression 4D de matériaux composites. Mise au point par des chercheurs du MIT il y a quelques années, l’impression 4D permet de créer, à l’aide d’une imprimante 3D, des objets qui peuvent passer d’une forme à une autre lorsqu’on les met au contact d’un stimuli (la chaleur, la lumière, le champ magnétique ou l’absorption de l’humidité).

Voilà que les choses s’accélèrent à la suite des travaux de Suong Van Hoa, un chercheur- professeur au Département de génie mécanique, industriel et aérospatial de la Faculté de génie et d’informatique de l’Université Concordia.  Nommé en 2017 membre de l’American Society for Composites pour sa contribution exceptionnelle à la communauté des matériaux composites par ses recherches, sa pratique, son enseignement, il est le premier Canadien à faire partie de cette association.

« L’impression 4D nous permet de créer des structures courbes en matériaux composites sans avoir d’abord à fabriquer de moules courbes, indique Suong Van Hoa. J’ai découvert qu’on peut fabriquer des pièces composites courbes – de longues fibres continues aux propriétés mécaniques élevées – plus rapidement et à moindre coût ».

Prenons par exemple la fabrication d’un ressort à lames, un type d’amortisseur léger en composite utilisé dans les véhicules. Habituellement, il faut confectionner un ressort en S avec un moule courbe dans une matière solide comme le métal. Puis, pour produire la pièce composite, il faut appliquer sur le moule un tissu renforcé et préalablement imprégné d’un mélange de résines.

« Or, cette première étape consistant à fabriquer un moule complexe pourrait être évitée, soutient Suong Van Hoa, ce qui permettrait d’économiser temps et argent ». En effet, selon le chercheur, qui est aussi directeur fondateur du Centre de recherche sur les composites de l’Université Concordia, le processus de fabrication pourrait être considérablement simplifié grâce à l’impression 4D.

« L’impression 4D de composites exploite le rétrécissement de la matrice de résine ainsi que la variation entre les coefficients de contraction thermique des diverses couches de fibres, posées selon des orientations différentes, pour induire un changement de forme durant le traitement et le refroidissement, explique-t-il. Ce comportement peut servir à fabriquer des pièces courbes sans moules complexes. C’est non seulement plus rapide, mais aussi plus économique. Toutefois, le degré de changement de forme dépend des propriétés du matériau, de l’orientation des fibres, de la séquence de pose des couches et du procédé de fabrication ».

Pour parvenir à ce résultat, Suong Van Hoa a réexaminé les propriétés anisotropes (variation du comportement d’un matériau selon l’axe dans lequel il est soumis à une charge) des couches composites. Par exemple, le rétrécissement du mélange de résines peut entraîner la déformation des matériaux. Ou encore, les changements de température peuvent provoquer une dilatation ou une contraction des fibres. Selon le chercheur, une compréhension approfondie et une bonne maîtrise de ces modifications sont essentielles à la fabrication sans moules de pièces laminées courbées. 

« Autrefois, les propriétés anisotropes étaient vues comme un inconvénient, mentionne-t-il. Aujourd’hui, je les considère plutôt comme un atout. J’envisage notamment des applications en aérospatiale, comme dans les satellites, où les structures subissent des fluctuations extrêmes de température. La structure satellitaire pourrait s’ouvrir durant le jour (quand la température est élevée) pour emmagasiner l’énergie solaire, puis se refermer le soir venu, pour protéger les composantes internes », précise-t-il.
www.concordia.ca/encs/mechanical-industrial.html