Fabrication numérique par dépôt de solutions : matériaux composites hautes performances inspirés de la nature

La nature construit des structures d'une résistance, d'une polyvalence et d'une adaptabilité étonnantes, qui croissent et fonctionnent en réponse à leur environnement — pensons aux arbres, aux os et à la chitine. Cette dernière forme à la fois les carapaces dures et les articulations flexibles des crustacés. Les constructions naturelles produisent peu ou pas de déchets, consomment très peu d'énergie et sont recyclées en fin de vie. À l'inverse, les constructions humaines sont généralement prescriptives, consomment de grandes quantités d'énergie, génèrent des déchets toxiques et sont majoritairement non recyclées. Selon les données 2018 de l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA), le taux de recyclage des matériaux n'est que de 9 % pour les plastiques (inchangé depuis 2010), 25 % pour le verre et 33 % pour les métaux (tous deux en baisse depuis 2010). Bien que la conception et la fabrication numériques progressent rapidement et permettent la production de structures et composants sophistiqués et multifonctionnels, ces technologies n'ont pas encore percé de la même manière en matière de durabilité.

C'est cette inspiration et cet objectif qui ont motivé le projet de Fabrication Numérique à Base d'Eau développé par le groupe Mediated Matter au Media Lab du Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Massachusetts, États-Unis), à partir de 2013. Cette initiative a développé une nouvelle technologie de fabrication numérique combinant les matériaux naturels les plus abondants de la Terre avec un système d'extrusion multi-chambres à commande robotique qui dépose des concentrations variables de solutions biocomposites — la première étant la chitine issue de coquilles de crustacés et l'acide acétique — pour créer des structures aux propriétés anisotropes. Des gradients de propriétés mécaniques, chimiques et optiques sont produits à travers des échelles de longueur allant du millimètre au mètre, réalisant non seulement des géométries uniques et de la multifonctionnalité, mais aussi le potentiel d'auto-assemblage structurel. Par exemple, les dépôts humides peuvent être conçus pour former des formes (ex. cylindre) en séchant, en réponse aux contraintes d'évaporation directionnelles au sein des composites multicouches.

Cette fabrication numérique par dépôt de solutions était envisagée comme un pont entre les environnements biologique et bâti, avec des applications potentielles dans les panneaux architecturaux durables, les emballages recyclables, les biens de consommation ou les pièces automobiles légères et biodégradables. Le MIT a ensuite exploré des composites utilisant des microfibres de cellulose, de la pectine, des algues et des nanoplaquettes céramiques. Mais que se passerait-il si l'on combinait ce dépôt numérique à base d'eau avec les technologies d'extrusion additive à fibres continues et courtes en plein essor dans l'impression 3D de composites aujourd'hui ?

Pourquoi une solution de chitosane ?

Les expériences initiales du projet de Fabrication Numérique à Base d'Eau ont utilisé du chitosane, dérivé de la chitine. Deuxième polymère naturel le plus abondant sur Terre après la cellulose, la chitine a une structure chimique similaire à la cellulose et compose non seulement les coquilles à haut module et haute ténacité des crustacés et insectes, mais aussi les tissus solides et flexibles de leurs articulations. Les matériaux naturels — surtout les polymères et polysaccharides comme la chitine et la cellulose — offrent une vaste ressource renouvelable produite à des taux bien supérieurs aux polymères synthétiques artificiels, explique Laia Mogas-Soldevila, l'une des chercheuses clés du MIT sur ce projet. Elle affirme que les dérivés de polysaccharides pourraient remplacer les polymères pétrochimiques existants, offrant de nouvelles combinaisons de propriétés et permettant une fabrication plus durable.

Mogas-Soldevila donne un excellent aperçu du développement technologique du MIT dans sa thèse 2015, « Water-based digital design and fabrication: Material, product, and architectural explorations in printing chitosan and its composites. » Elle explique que l'idée d'utiliser la fabrication numérique par dépôt de solutions est venue de l'étude des méthodes de biofabrication par jet d'encre et buses pour produire des matériaux mous comme échafaudages pour la croissance tissulaire.

Il a été décidé d'essayer le dépôt 3D par buse utilisant de la poudre de chitosane transformée en gel à des concentrations poids/volume (p/v) de 1 à 12 % avec de l'acide acétique à 4 % p/v en solution aqueuse. Ces hydrogels allaient d'un liquide translucide à la viscosité comparable à du miel liquide à 3 % de concentration, à un matériau opaque à la consistance du caoutchouc naturel à 12 % de concentration (Fig. 1). Les résultats initiaux sur des films de chitosane déposés et séchés ont montré une résistance à la traction ultime de 40 mégapascals, que Mogas-Soldevila a décrite comme comparable au nylon polymère ou au bois dans le sens de la fibre. Les structures étaient fabriquées et polymérisées à température ambiante.

Plateforme de fabrication additive novatrice

La plateforme robotique de fabrication additive sur mesure que le MIT a conçue pour déposer les gels de chitosane combine un bras robotique à six axes KUKA (Augsbourg, Allemagne) Agilus KR1100 (plateforme de 54 kg avec charge utile de 10 kg et répétabilité/précision de ±0,03 mm) avec un effecteur d'extrusion. Cet effecteur contenait six corps de seringue pour les hydrogels de chitosane connectés à un système de pression d'air piloté par ordinateur incluant pression positive (réservoir d'air comprimé) et négative (pompe à vide) avec régulateur PSI numérique et deux moteurs pas-à-pas pour contrôler l'extrusion.

Cet effecteur pesait 4 kg seringues chargées et matériau de dépôt inclus. Les débits typiques allaient de 8 à 4 000 mm³/s avec des buses de diamètre intérieur de 0,5 à 8 mm. La vitesse de mouvement linéaire variait de 10 à 50 mm/s. La zone de dépôt était de 1 000 mm de long sur 500 mm de large, mais les limitations de longueur ont été levées ultérieurement via un plateau d'impression coulissant.

Les moteurs pas-à-pas, le système pneumatique et le bras robotique étaient pilotés numériquement pour coordonner les rapports avance/vitesse, permettre des rapports de mélange variables et des taux d'extrusion, et ajuster la pression et la vitesse de dépôt à la volée selon les géométries d'extrusion et propriétés matériaux souhaitées. Le mouvement robotique et l'extrusion n'étaient pas explicitement liés — les deux fonctions étaient indépendantes — ce qui permettait un contrôle indépendant de chaque seringue motorisée ainsi que du déplacement de l'effecteur final du bras robotique. Le système a produit avec succès des formes 3D à grande échelle sans moules et atteint une large gamme de formes géométriques avec des propriétés structurelles variables.

De la conception numérique au dépôt

Les essais de fabrication initiaux s'inspiraient de structures biologiques comme les feuilles et les ailes de libellule. Une structure longitudinale principale assurait la forme globale, réalisée avec des dépôts de plus gros diamètre et concentrations matériaux plus élevées pour la rigidité. Des structures secondaires étaient ensuite formées par des réseaux déposés de matériaux de plus fin diamètre et plus faible concentration. Le système de fabrication utilisait plusieurs techniques pour construire ces structures : application de solutions à différentes concentrations le long de certains chemins, contrôle numérique de la pression pendant le dépôt pour contrôler la largeur et la hauteur du matériau, et répétition de couches. Ces stratégies étaient encodées dans les instructions de position, vitesse, pression et matériau envoyées en temps réel au robot KUKA (positionnement) et à l'effecteur d'extrusion (dépôt).

Pour commencer, les structures étaient modélisées dans un logiciel CAO, puis un logiciel de tranchage personnalisé convertissait cela en couches imprimées. Le système de contrôle numérique testait et optimisait les trajectoires de dépôt. Les trajectoires d'outils géométriques assurant le contrôle et l'opération du système d'extrusion étaient conçues avec le logiciel de modélisation Rhino3D (Robert McNeel and Associates, États-Unis) et son plugin de script Grasshopper.

Le système encodait ensuite un ensemble de paramètres indépendants associés à la conception numérique ainsi qu'aux propriétés mécaniques et chimiques de base des matériaux. Il modérait aussi les contraintes dépendantes de la plateforme données par le système de fabrication telles que les viscosités, taux de cisaillement, types de corps de seringue, temps de réponse matériels et/ou taille de l'enveloppe. Tous ces paramètres étaient ensuite combinés avec des variations propres à la conception telles que le type de buse, la composition du matériau et les cartes de pression dépendantes du temps. Les calculs résultants fournissaient les débits nécessaires, les motifs de recharge des corps de seringue et les vitesses de positionnement. Enfin, des instructions de fabrication personnalisées étaient générées, encodant les commandes de mouvement et d'extrusion vers les systèmes de positionnement et de dépôt, respectivement.

Exploration de structures novatrices

Les essais de fabrication décrits par Mogas-Soldevila incluent une structure de 50 cm inspirée des ailes de libellule. Ses « veines » structurelles étaient faites de gel de chitosane épaissi avec de la poudre d'alginate de sodium naturel, sur lesquelles une membrane transparente résistante à la tension de gel de chitosane à 3 % était superposée. Grâce aux caractéristiques d'auto-réparation des matériaux, la membrane se liait aux veines pendant le dépôt. Ce concept a été exploré plus avant dans diverses structures en forme de feuille jusqu'à 3 mètres de long. Dans un autre exemple, une grille de 5 x 15 mm était déposée à plat avec une solution de microfibres de cellulose dans du gel de chitosane à 2 %. En séchant, elle formait un cylindre de 50 cm de long, exploitant la capacité à concevoir des contraintes d'évaporation internes comme discuté plus haut.

Cette technologie a été pionnière par Jorge Duro-Royo, architecte et ingénieur, chercheur principal au groupe Mediated Matter du MIT sous la direction de la Prof. Neri Oxman, et développée dans les projets Aguahoja où des structures semblables à de la peau (« hojas ») étaient créées et formées avec des solutions à base d'eau (« agua »). Aguahoja I comprenait un pavillon architectural de 5 mètres de haut (Fig. 2) et une bibliothèque d'expériences matériaux exposées en 2018 puis acquises par le San Francisco Museum of Modern Art (SFMOMA, Californie, États-Unis) pour sa collection permanente. Aguahoja II faisait partie d'une exposition 2019 co-organisée par le Cube Design Museum (Kerkrade, Pays-Bas) et le Cooper Hewitt, Smithsonian Design Museum (New York, États-Unis).

La plateforme de fabrication robotique dans les projets Aguahoja a évolué pour inclure des systèmes à la fois robotiques et à portique. Le pavillon comprenait 95 segments individuels imprimés en 3D. La colonne vertébrale blanche était imprimée avec un système FDM F900 standard et du thermoplastique acrylonitrile styrène acrylate (ASA). Les multiples panneaux biocomposites étaient conçus avec des degrés variables de rigidité, flexibilité et opacité pour créer des zones servant de structure, de fenêtre et de filtre environnemental. Certains matériaux d'Aguahoja I changent en réponse à l'humidité et la chaleur, d'autres s'assombrissent ou s'éclaircissent au fil des saisons. Les matériaux vont du cassant et transparent au flexible et cuir, mais tous peuvent être programmés pour se dégrader dans l'eau (ex. pluie), restaurant ainsi les éléments constitutifs à l'écosystème naturel.

Mogas-Soldevila a depuis obtenu un doctorat au Silklab au sein de l'ingénierie biomédicale de Tufts (Medford, Massachusetts, États-Unis), étudiant comment utiliser la soie et d'autres fibres et matériaux naturels, dont ceux travaillés au MIT. Elle est maintenant professeure assistante d'architecture à la Stuart Weitzman School of Design de l'Université de Pennsylvanie où elle enseigne et recherche la conception pilotée par les matériaux à l'intersection de la durabilité et des sciences de la vie de pointe. Certains de ses travaux récents sont consultables sur dumolab.com. « Ce sont des matériaux qui viennent de la nature et sont très facilement fonctionnalisables — on peut les mélanger, les doper et les transformer. On peut réellement les régler pour des capacités de fabrication spécifiques. Nous regardons ce qui vient demain. »