Impression 4D de matériaux composites par photopolymérisation

4D printing of composite materials by photopolymerization

• Auteur / Autrice : Quentin Bauerlin
• Direction : Karine Mougin, Arnaud Spangenberg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-physique
• Date : Soutenance le 13/07/2023
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - Institut de Science des Matériaux de Mulhouse / IS2M

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique molle

Hydrocolloïdes

Photopolymérisation

Agrégats métalliques

Impression 3D

Impression 4D

Mots clés libres

Impression 3D

Suspensions colloïdales

Photopolymérisation

Hydrogel

Impression 4D

Composite

Nouvelle résine

Caractérisation des propriétés 4D

3D printing

Colloidal suspensions

Photopolymerization

Hydrogel

4D printing

Composite

New resin

Characterization of 4D properties

Résumé

L'impression 3D est en train de révolutionner notre façon de concevoir, fabriquer et produire les objets de notre quotidien. Cependant, la gamme accessible de propriétés ou de fonctionnalités de ces objets 3D est aujourd’hui encore fortement limitée et reste un axe majeur d’innovation. Cette thèse se concentre donc sur les possibilités offertes par l'impression 4D via la fabrication de nouveaux composites pour conduire à une multiplication du nombre de propriétés ou de fonctionnalités de ces objets. L'utilisation de suspensions colloïdales métalliques dans des résines photosensibles est un moyen judicieux pour y parvenir, car en jouant sur la nature du métal, la taille et la forme des nanoparticules, il est possible de moduler les propriétés des objets imprimés. Ainsi, la conception d’objets 4D hydrogels est abordée, permettant un contrôle fin de la déformation réversible de leur forme selon l’humidité. La clé dans la méthode de fabrication de ces composites réside dans l'insertion de nanoparticules d'or métalliques dans un objet hydrogel pour lui conférer un caractère 4D. L’objet ainsi fabriqué répond à un double stimulus : l'humidité pour le gonflement provenant de la matrice hydrogel et la chaleur provenant des propriétés photothermiques des nanoparticules pour le retour de l'objet imprimé à sa taille initiale. Ces nouveaux comportements seront investigués en profondeur par diverses approches (techniques d’analyse chimique, modèles mathématiques, simulation numérique…). Ce travail doctoral permet une progression des connaissances dans le domaine émergeant de l’impression 4D et ouvre de nombreuses perspectives dans des domaines tels que la robotique molle.

3D printing is revolutionizing the way we design, manufacture and produce everyday objects. However, the accessible range of properties or functionalities of these 3D objects is still severely limited and remains a major focus of innovation. This thesis therefore focuses on the possibilities offered by 4D printing via the fabrication of new composites to lead to a multiplication of the number of properties or functionalities of these objects. The use of metal colloidal suspensions in photosensitive resins is a judicious means of achieving this, since by playing on the nature of the metal, the size and shape of the nanoparticles, it is possible to modulate the properties of printed objects. In this way, the design of 4D hydrogel objects is tackled, enabling fine control of the reversible deformation of their shape according to humidity. The key to the method of manufacturing these composites lies in the insertion of metallic gold nanoparticles into a hydrogel object to give it a 4D character. The object thus fabricated responds to a dual stimulus: moisture for swelling from the hydrogel matrix and heat from the photothermal properties of the nanoparticles to return the printed object to its original size. These new behaviors will be investigated in depth using a variety of approaches (chemical analysis techniques, mathematical models, numerical simulation, etc.). This doctoral work will advance our knowledge in the emerging field of 4D printing and open up numerous prospects in areas such as soft robotics.