Fabrication d’une imprimante 3D magnétique pour la conception de micro-actionneurs nanocomposites polymères renforcés avec des architectures 3D bio-inspirées

A novel approach to fabricate bioinspired programmable composite materials : the 3D Printing way

• Auteur / Autrice : Simone Lantean
• Direction : Giancarlo Rizza, Marco Sangermano, Ignazio Roppolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 20/04/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Politecnico di Torino
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des solides irradiés (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Bodelot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giancarlo Rizza, Marco Sangermano, Ignazio Roppolo, Sandra Schloegl, Juergen Stampfl, Tara Schiller, Marco Zanetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandra Schloegl, Juergen Stampfl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie

Électromagnétisme

Polymères

Mots clés libres

Microscopie

Fabrication additive

Nanoparticules magnétiques

Photo-Polymerisation

Impression 4D

Photocuring

Additive manufactoring

4D printing

Magnetic nanoparticles

Transmission Electron Microscopy

Résumé

Ce travail de thèse traite de l'impression 4D. C’est-à-dire de la fabrication d’objets imprimés en 3D dont la forme et/ou les propriétés varient de manière contrôlée dans le temps par l'application de stimuli externes. En particulier, l’utilisation des champs magnétiques est très prometteuse, car ils peuvent être facilement appliqués, ne sont pas dangereux pour la santé et permettent à l’objet imprimé d’être actionné à distance.Lors de notre travail de thèse, nous avons incorporé des charges magnétiques (Fe3O4) dans des formulations photo-polymérisables afin d’imprimer des objets magnéto-actifs. Pour l'impression 3D nous avons utilisé la méthode de traitement numérique de la lumière (DLP).Dans un premier temps, nous avons modifié la réactivité des formulations photo-polymérisables en variant la quantité du diluant réactif (acrylate de butyle, BA) dans la résine acrylique (Ebecryl 8232). En particulier, en variant la quantité du réactif BA, nous avons pu contrôler la rigidité des polymères. Ensuite, nous avons montré que la charge maximale de particules magnétiques pouvant être dispersées dans la résine était de 6 % en poids, ce qui a permis d'obtenir des pièces imprimées avec une résolution de l’ordre de 400 µm. En variant les propriétés mécaniques des composites imprimés, nous avons exploité différents mouvements des objets imprimés : le roulage et la translation pour les matrices rigides et la transformation par pliage et dépliage pour les polymères plus souples.Pour améliorer le contrôle à distance des matériaux imprimés, nous avons exploité le processus d'auto-assemblage des particules magnétiques pour programmer leur microstructure. En effet, lorsque les charges magnétiques sont dispersées dans un milieu liquide et exposées à un champ magnétique uniforme, elles s'assemblent spontanément en structures filaires orientées le long des lignes de champ. En dispersant les particules magnétiques dans une formulation photosensible, une fois l'arrangement spatiale souhaité obtenu, nous avons irradié la formulation pour "figer" les chaînes de particules magnétiques dans la matrice hôte.Le processus d'auto-assemblage ainsi que la rotation des chaînes de particules magnétiques a été étudié par microscopie optique. De plus, un modèle théorique simplifié a été proposé pour décrire les deux phénomènes, et des simulations numériques ont été réalisées pour caractériser le système. Le processus d'auto-assemblage et la rotation des chaînes ont également été observés in situ et à l'échelle nanométrique par microscopie à rayons X à balayage sur la ligne Hermès du synchrotron SOLEIL. Cela nous a permis d’avoir une information détaillée sur l’évolution de la microstructure dans un film liquide (en 2D) en fonction du champ magnétique appliqué.Pour contrôler la microstructure d'un objet imprimé en 3D, notre stratégie a consisté à reproduire le contrôle 2D sur les chaînes magnétiques dans chaque couche imprimée de l'objet. Cela a été fait en modifiant une imprimante DLP pour pouvoir appliquer des champs magnétiques d’intensité et direction variable lors de l'impression. Par microscopie optique, nous avons démontré que le dispositif DLP proposé était efficace pour programmer la microstructure des composites imprimés en 3D.

This thesis work deals with 4D printing. That is to say the manufacturing of 3D printed objects whose shape and/or properties vary in a controlled way in time by the application of external stimuli. In particular, the use of magnetic fields is very promising because they can be easily applied, are not dangerous for health and allow the printed object to be remotely controlled.During our thesis work, we have incorporated magnetic charges (Fe3O4) in photocurable formulations in order to print magneto-active objects. For the 3D printing process, we used the digital light processing (DLP).In a first step, we modified the reactivity of the photo-curable formulations by varying the amount of reactive diluent (butyl acrylate, BA) in the acrylic resin (Ebecryl 8232). In particular, by varying the amount of BA reagent, we were able to control the stiffness of the polymers. We then showed that the maximum charge of magnetic particles that can be dispersed in the resin was 6% by weight, which allowed us to obtain printed parts with a resolution of about 400 µm. By varying the mechanical properties of the printed composites, we exploited different movements of the printed objects: rolling and translation for rigid matrices and folding and unfolding for softer polymers.To improve the remote control of printed materials, we have exploited the self-assembly process of magnetic particles to program their microstructure. Indeed, when magnetic charges are dispersed in a liquid medium and exposed to a uniform magnetic field, they spontaneously assemble into wire structures oriented along the field lines. By dispersing the magnetic particles in a photosensitive formulation, once the desired spatial arrangement was obtained, we irradiated the formulation to "freeze" the chains of magnetic particles in the host matrix.The self-assembly process as well as the rotation of the magnetic particle chains was studied by optical microscopy. In addition, a simplified theoretical model was proposed to describe both phenomena, and numerical simulations were performed to characterize the system. The self-assembly process and the rotation of the chains were also observed in situ and at the nanometer scale by scanning X-ray microscopy on the Hermes line of the SOLEIL synchrotron. This gave us detailed information on the evolution of the microstructure in a liquid film (in 2D) as a function of the applied magnetic field.To control the microstructure of a 3D printed object, our strategy consisted in reproducing the 2D control on the magnetic chains in each printed layer of the object. This was done by modifying a DLP printer to be able to apply magnetic fields of variable intensity and direction during the printing process. By optical microscopy, we demonstrated that the proposed DLP device is effective in programming the microstructure of the composites printed in 3D.Magnetic characterizations showed that samples incorporating oriented magnetic chains have an easy magnetic axis that coincides with the orientation of the microstructure. Thanks to this property, we were able to program the macroscopic magnetic behavior of the manufactured materials.Magneto-sensitive polymers containing oriented microstructures behave like magnetic compasses. Therefore, when a uniform magnetic field is applied, the objects are rotated to align their axis of easy magnetization along the field lines. Exploiting this phenomenon, we produced objects, which depending on their mechanical properties can undergo rotation or bending. In addition, we have printed gears composed of toothed wheels or magneto-active clamps that undergo a programmed rotation by the remote application of a magnetic field.