Comprendre le processus d’impression 3D de glace pour créer des structures à micro-échelle

Les progrès de l’impression 3D ont permis de nombreuses applications dans de nombreuses disciplines, notamment la médecine, la fabrication et l’énergie. Une gamme de matériaux différents peut être utilisée pour imprimer à la fois des fondations simples et des détails fins, permettant la création de structures aux géométries sur mesure.

Cependant, la création de structures avec des vides et des canaux internes précis à l’échelle microscopique pose toujours des défis. Les échafaudages utilisés en ingénierie tissulaire, par exemple, doivent contenir un réseau complexe de conduits tridimensionnels qui imitent le système vasculaire humain. Avec la fabrication additive traditionnelle, où le matériau est déposé couche par couche, il est difficile d’imprimer des caractéristiques internes aussi complexes sans sacrifier le temps, la précision et les ressources.

Pour résoudre ce problème, Philip LeDuc et Burak Ozdoganlar, professeurs de génie mécanique à l’université Carnegie Mellon, sont à la tête du développement du procédé d’impression 3D de glace à forme libre (3D-ICE). Cette technique utilise une approche d’impression 3D à la demande avec de l’eau en remplacement des encres d’impression conventionnelles. Une buse à jet d’encre piézoélectrique éjecte de minuscules gouttelettes d’eau sur une plate-forme de construction maintenue en dessous du point de congélation. Cela provoque la congélation des gouttelettes peu de temps après le contact.

Le procédé est unique en son genre : il peut être contrôlé pour déposer une ou plusieurs gouttelettes avant que la précédente ne soit congelée. Ainsi, un bouchon d’eau reste au-dessus de la structure imprimée et la congélation progresse depuis le bas. Cela permet de créer des structures aux parois, transitions et ramifications lisses. Des éléments aussi petits que des cheveux humains peuvent être fabriqués.

Au fur et à mesure que davantage de gouttelettes se déposent, une structure de glace prend forme sur la plateforme de construction. Le diamètre, la hauteur et la régularité relative de la géométrie du pilier peuvent être ajustés en contrôlant la vitesse de dépôt des gouttelettes et les températures de la surface d’impression, des gouttelettes et de l’espace de travail.

Si la plate-forme de construction est déplacée de telle sorte que la gouttelette entrante frappe à un angle, le front de gel tournera en conséquence, ce qui permettra de produire des structures ramifiées, courbes et en surplomb qui seraient difficiles ou impossibles à imprimer avec des techniques d’impression 3D alternatives sans matériaux de support supplémentaires.

« La glace 3D pourrait être utilisée comme matériau sacrificiel, ce qui signifie que nous pourrions l’utiliser pour créer des canaux de forme précise à l’intérieur de pièces fabriquées », a déclaré LeDuc. « Cela serait utile dans de nombreux domaines, de la création de nouveaux tissus à la robotique souple. »

Depuis le début de leur projet, l’équipe de recherche de LeDuc et Ozdoganlar a étudié des moyens de garantir que le processus de formation de glace en 3D soit prévisible et reproductible. Dans leur récent article publié dans PNAS. ils décrivent des modèles numériques 2D et 3D pour élucider la physique derrière la glace 3D, y compris le transfert de chaleur, la dynamique des fluides et le changement de phase rapide du liquide au solide pendant le processus d’impression.

Leurs modèles 2D cartographient la construction de piliers droits, y compris les effets respectifs du dépôt en couches et en douceur. « La fréquence de dépôt des gouttelettes affecte la hauteur et la largeur de la structure », explique Ozdoganlar. « Si vous déposez rapidement, la couche d’eau grandit, produisant des structures plus larges. Si vous déposez lentement, la structure devient plus étroite et plus haute. La température du substrat a également des effets. Pour le même taux de dépôt de gouttelettes, une température de substrat plus basse produit des structures plus hautes. »

Leurs modèles 3D cartographient la construction des structures obliques en prédisant la rotation du front de gel. « Il y a tous les types de transfert de chaleur, y compris la conduction vers le bas et la convection vers la zone environnante », a déclaré Ozdoganlar. « Tous ces éléments fonctionnent simultanément lorsque vous déposez chaque gouttelette. Si vous déposez obliquement, une partie de la goutte se répand sur le côté du pilier avant de geler. Et à mesure que vous continuez à déposer sous cet angle, le front de gel change lentement de forme et la structure se développe dans cette direction. »

En plus d’affiner davantage leurs modèles mathématiques, les laboratoires de LeDuc et Ozdoganlar cherchent désormais à étendre la technologie 3D-ICE et à explorer son efficacité dans toute une gamme d’applications. Par exemple, les stratégies actuelles en ingénierie tissulaire impliquent souvent la conception de tissus généralisés.

3D-ICE pourrait bientôt permettre d’imprimer des tissus personnalisés qui correspondent à la structure unique du système vasculaire de chaque patient, répondant ainsi aux besoins spécifiques de son corps. De plus, 3D-ICE permettra de créer des structures tissulaires fonctionnelles qui serviront à comprendre différentes maladies ou à développer de nouvelles thérapies.

« Lorsque j’ai démarré mon laboratoire, je n’aurais jamais imaginé que nous imprimerions de la glace en 3D et que nous l’utiliserions pour créer des tissus afin d’aider les gens », a déclaré LeDuc.

« Mais nos recherches ont évolué. Elles ont réuni des gens comme Burak et moi-même, et chacun apporte toutes sortes de perspectives et de capacités différentes. C’est une chose merveilleuse de faire ce travail ensemble où la somme des parties est définitivement supérieure à la somme des parties individuelles dans cette science et cette ingénierie transdisciplinaires. »