Grâce à une nouvelle technique de balayage laser, les chercheurs peuvent désormais imprimer en 3D des matières plastiques spéciales présentant une excellente élasticité. Ils peuvent ainsi fabriquer des structures semblables à celles des humains - et ouvrent ainsi des possibilités entièrement nouvelles à la robotique douce.
En bref
- Les chercheurs rendent l'impression 3D compatible avec les polymères à durcissement lent, ce qui élargit considérablement les possibilités de la robotique douce. En effet, les nouveaux matériaux sont plus performants que les précédents.
- Cela est possible grâce à une nouvelle technologie qui combine l'impression 3D avec un scanner laser et un mécanisme de feedback.
- Un spin-off américain propose désormais cette technologie et imprime des objets complexes à la demande des clients.
L'impression 3D progresse rapidement et l'éventail des matériaux pouvant être utilisés à cet effet s'est élargi de manière décisive. Alors que la technologie se limitait jusqu'à présent aux plastiques à durcissement rapide, il est désormais possible d'utiliser des plastiques à durcissement lent grâce à un développement ultérieur. Et ces dernières présentent des avantages décisifs : elles ont de meilleures propriétés élastiques, sont plus durables et plus robustes.
L'utilisation de tels polymères est rendue possible par une nouvelle technologie développée par des chercheurs de l'ETH Zurich et une start-up américaine. Grâce à elle, les chercheurs peuvent désormais fabriquer des robots complexes plus résistants à partir de différents matériaux de haute qualité par impression 3D. Et ce, en un seul passage. En outre, cela permet de combiner sans problème des matériaux souples, élastiques et solides. Les chercheurs peuvent également créer des pièces quelconques avec des cavités et des structures filigranes.
Les matériaux reviennent à leur état initial
Grâce à cette nouvelle technologie, les chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi pour la première fois à imprimer en une seule fois une main de robot avec des os, des ligaments et des tendons composés de différents polymères. "Nous n'aurions pas pu fabriquer cette main avec les polyacrylates à durcissement rapide que nous utilisions jusqu'à présent pour l'impression 3D", explique Thomas Buchner, doctorant dans le groupe du professeur de robotique de l'ETH Robert Katzschmann et premier auteur de l'étude. "Nous utilisons désormais des polymères thiols à durcissement lent. Ceux-ci ont de très bonnes propriétés élastiques et reviennent beaucoup plus rapidement à leur état initial après avoir été pliés que les polyacrylates". C'est pourquoi les polymères thiols conviennent parfaitement à la fabrication des bandes élastiques de la main du robot.
En outre, la rigidité des thiols peut être réglée très finement, ce qui permet de l'adapter aux exigences de la robotique douce. "Les robots en matériaux souples, comme la main que nous avons développée, présentent des avantages par rapport aux robots traditionnels en métal : comme ils sont souples, le risque de blessure diminue lorsqu'ils travaillent avec des humains et ils sont mieux adaptés à la manipulation de biens fragiles", explique le professeur Katzschmann de l'ETH.
Scanner au lieu de gratter
Les imprimantes 3D fabriquent généralement des objets couche par couche : des buses déposent à chaque endroit le matériau souhaité sous forme de liquide épais. Une lampe UV durcit immédiatement chaque couche. Les méthodes utilisées jusqu'à présent comportent un dispositif qui racle les irrégularités après chaque étape de durcissement. Cela ne fonctionne qu'avec les polyacrylates à durcissement rapide. Les polymères à durcissement lent, tels que les thiolènes et les époxydes, collent à un dispositif de raclage.
Afin de pouvoir utiliser des polymères à durcissement lent, les chercheurs ont perfectionné l'impression 3D : un scanner laser 3D contrôle immédiatement chaque couche imprimée pour détecter d'éventuelles irrégularités. "Un mécanisme de feedback compense ces irrégularités lors de l'impression de la couche suivante en calculant en temps réel et avec précision les ajustements nécessaires des quantités de matériau à imprimer", explique Wojciech Matusik, professeur au Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis et coauteur de l'étude. En d'autres termes, la nouvelle technologie n'aplanit plus les irrégularités, mais les prend simplement en compte lors de l'impression de la couche suivante.
La société Inkbit, un spin-off du MIT, était responsable du développement de la nouvelle technologie d'impression. Les chercheurs de l'ETH Zurich ont développé plusieurs applications robotiques et ont contribué à optimiser la technologie d'impression pour l'utilisation des polymères à durcissement lent. Les chercheurs suisses et américains publient maintenant ensemble la technologie et des exemples d'application dans la revue spécialisée. page externeNature.
À l'ETH Zurich, le groupe de Robert Katzschmann va utiliser cette technologie pour explorer d'autres possibilités, concevoir des structures encore plus sophistiquées et développer des applications supplémentaires. L'entreprise Inkbit prévoit d'utiliser cette nouvelle technologie pour offrir aux clients un service d'impression 3D et de vendre également des imprimantes.
Référence bibliographique
Buchner TJK, Rogler S, Weirich S, Armati Y, Cangan BG, Ramos J, Twiddy S, Marini D, Weber A, Chen D, Ellson G, Jacob J, Zengerle W, Katalichenko D, Keny C, Matusik W, Katzschmann RK : Vision-Controlled Jetting for Composite Systems and Robots, Nature, 15 novembre 2023, doi : page externe10.1038/s41586-023-06684-3