Un chercheur de Concordia conçoit l’impression 4D de matériaux composites, un processus rapide et économique

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.

Simplement dit, l’impression 4D consiste à créer, au moyen d’une imprimante 3D, des objets qui changent de forme avec le temps une fois retirés de l’imprimante. Ici, la quatrième dimension, c’est le temps.

« 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, professeur au Département de génie mécanique, industriel et aérospatial de la Faculté de génie et d’informatique de l’Université Concordia.

« 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. »

L’automne dernier, le P^r Hoa a été nommé membre de l’American Society for Composites pour sa « contribution exceptionnelle à la communauté des matériaux composites par ses recherches, sa pratique, son enseignement et son service ». Il est le premier Canadien à faire partie de cette association.

Il a annoncé sa récente découverte dans la revue Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science.

Un processus à simplifier

Imaginez ce que ça prend pour fabriquer un ressort à lames, type d’amortisseur léger en composite utilisé dans les véhicules. 

Tout d’abord, il faudrait confectionner un ressort en S avec un moule courbe dans une matière solide comme le métal. Puis, pour produire la pièce composite, on appliquerait 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 le P^r 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.

« 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. »
 

Une nouvelle approche

Pour en arriver à ce résultat, le P^r Hoa a réexaminé les propriétés anisotropes des couches composites.

Par anisotropie, on entend la variation du comportement d’un matériau selon l’axe dans lequel il est soumis à une charge; les propriétés anisotropes permettent d’évaluer dans quelle mesure un matériau peut se modifier selon d’autres facteurs.

Dans son article paru dans la revue Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science, Suong Van Hoa fait état des propriétés anisotropes qui entrent en jeu dans la fabrication d’une structure composite.

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 P^r Hoa, 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. »
 

Des applications qui iront loin

« Cette technologie pourrait éventuellement servir dans l’industrie aéronautique et d’autres secteurs », précise le P^r Hoa.

« J’envisage notamment des applications en aérospatiale, comme dans les satellites, où les structures subissent des fluctuations extrêmes de température, poursuit-il. 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. »
 

Lisez le compte rendu de la découverte : Factors affecting the properties of composites made by 4D printing (mouldless composites manufacturing).

Apprenez-en plus sur le Département de génie mécanique, industriel et aérospatial de l’Université Concordia.