Des scientifiques ont réussi à imprimer en 3D des pièces complexes en graphite avec une pureté de 97 %

Une équipe de chercheurs de l'Université Rice, au Texas, a développé une nouvelle méthode de fabrication de structures complexes en graphite à l'aide de l'impression 3D par écriture directe à l'encre (DIW).

Les tentatives précédentes d'impression 3D avec du graphite impliquaient généralement l'intégration d'une forme en poudre du matériau dans une matrice polymère. En utilisant des technologies basées sur l'extrusion, il est alors possible de créer des structures mécaniquement solides, mais les composites résultants ne contiennent souvent que moins de 50 % de graphite en poids. En tant que telles, les pièces en graphite imprimées en 3D jusqu'à présent n'offraient pas vraiment les propriétés thermiques et électriques qui rendent le graphite pur si désirable.

Pour résoudre le problème, les chercheurs de Rice ont développé une encre colloïdale imprimable en 3D composée de poudre de graphite et de minuscules quantités d'argile, réalisant des pièces DIW complexes avec une pureté allant jusqu'à 97 %.

Le graphite : le minéral des extrêmes

Le graphite est considéré comme l'un des allotropes de carbone les plus utiles, et il a une multitude d'applications industrielles (oui, c'est plus qu'une simple mine de crayon).

Doté d'une structure atomique 2D en couches, le matériau est un ingrédient clé de plusieurs lubrifiants hautes performances. Le graphite offre également une excellente stabilité thermique et chimique, ce qui lui permet de résister aux conditions environnementales extrêmes requises pour les creusets en métal fondu et les cœurs de réacteurs nucléaires. De plus, la conductivité électrique notoirement élevée du matériau en fait également un candidat idéal pour les batteries, les contacts électriques et même l'électronique flexible.

Malheureusement, en raison des défis du traitement à haute température et de la fragilité intrinsèque du matériau, l'utilisation de méthodes de synthèse conventionnelles pour créer des pièces géométriques complexes en graphite est souvent extrêmement difficile - un problème que l'impression 3D est équipée pour résoudre.

Comment imprimer en 3D des pièces à 97 % en graphite

L'encre graphite à haute concentration a été formulée en ajoutant de petites quantités de nanoargile de silicate (3 à 10 % en poids) à un bain d'eau rempli de flocons de graphite. La nanoargile a finalement agi comme un agent liant, garantissant que les flocons de graphite étaient uniformément répartis dans l'encre composite résultante. L'ajout de l'argile a également augmenté de manière significative la viscosité du matériau, le rendant extrudable via DIW à température ambiante. En revanche, une encre uniquement au graphite s'est avérée obstruer la buse de l'imprimante 3D, tout en se séparant sous pression.

Lors de l'impression 3D, les effets de l'additif nanoargile étaient très apparents dans les structures 3D finales. Tous les objets de test imprimés de l'étude présentaient une excellente stabilité structurelle et pouvaient supporter leur propre poids sans aucun problème, malgré leur complexité géométrique. Même après séchage à l'air, les pièces ont réussi à conserver leur forme d'origine avec une meilleure capacité d'absorption d'énergie par rapport à une encre au graphite uniquement.

L'équipe Rice a déjà utilisé sa nouvelle formulation à 97 % de pureté pour plusieurs applications de graphite. Cela comprend des moules imprimés en 3D utilisés pour couler de l'étain, un circuit électrique en graphite utilisé pour allumer des LED et un élément chauffant imprimé en 3D capable d'amener l'eau à ébullition.

De plus amples détails sur l'étude peuvent être trouvés dans l'article intitulé "Impression tridimensionnelle de structures complexes en graphite". Il est co-écrit par Seyed Mohammad Sajadi, Shayan Enayat, et al.

Le graphite et sa forme monocouche, le graphène, font l'objet de nombreuses recherches à la fois dans et hors du secteur de l'impression 3D. Des chercheurs de l'Université de Buffalo ont récemment mis au point un nouvel aérogel de graphène purificateur d'eau imprimé en 3D capable de traiter les eaux usées à grande échelle. Composé d'un aérogel de type styromousse, de graphène en treillis et de deux polymères bio-inspirés, le nouveau matériau est capable d'éliminer les colorants, les métaux et les solvants organiques de l'eau potable avec une efficacité de 100 %.

Ailleurs, au FAMU-FSU College of Engineering, les scientifiques ont développé un ensemble de paramètres pour l'impression 3D de structures à base de graphène avec des qualités conductrices optimisées. Après une série de tests, l'équipe a découvert que même si des facteurs tels que la pression d'impression et le diamètre de la buse affectaient les propriétés du composite, à des vitesses d'impression spécifiques, ses particules pouvaient s'aligner d'une manière spécifique.

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L'image en vedette montre des structures en graphite imprimées en 3D par écriture directe à l'encre. Image via l'Université Rice.

Kubi Sertoglu est titulaire d'un diplôme en génie mécanique, combinant une affinité pour l'écriture avec une formation technique pour fournir les dernières nouvelles et critiques en matière de fabrication additive.