Analyse du procédé et des paramètres de fabrication par écriture-direct assistée par lumière ultraviolet pour des applications d'emmagasinage d'énergie mécanique

Les applications technologiques dans le domaine des micro et nano technologies évoluent rapidement et imposent des exigences sévères pour l'emmagasinage de l'énergie nécessaire à leur fonctionnement pendant de longues périodes de temps dans une variété d'environnements. Les piles chimiques sont la solution privilégiée en raison de leur facilité d'utilisation et leur grande capacité de stockage. Des appareils d'emmagasinage d'énergie mécanique (e.g., les ressorts mécaniques) offrent par contre une meilleure résistance aux températures extrêmes, plus de cycles de charge avant la défaillance, une libération plus rapide de l'énergie et moins de fuites de l'énergie emmagasinée. Les développements au niveau des matériaux avancés et des nanotechnologies ont mené à des matériaux avec une rigidité qui dépasse de loin celle des matériaux conventionnels et pourraient rivaliser avec les appareils chimiques au niveau de l'énergie spécifique (énergie par unité de masse). Ici, nous avons utilisé la procédure de fabrication par écriture directe assistée par rayonnement ultraviolet (FED-UV) pour fabriquer différentes configurations de ressorts tridimensionnels (3D) avec des diamètres de filaments autour de 100 μm. En réduisant la taille des filaments, les structures fabriquées peuvent être plus compactes et avoir une densité d'énergie (énergie par unité de volume) plus importante. Cette procédure implique l'extrusion en forme libre d'une structure de filaments en 3D, polymérisée par exposition immédiate à la lumière UV. Des géométries hélicoïdales et spirales à forme carrée et deux modes de chargement (tension et torsion) ont été analysés lors de cette étude. Un mappage des rapports structure-procédé a été déterminé par la fabrication de multiples structures en faisant varier les principaux paramètres du procédé. Les combinaisons de paramètres menant aux structures désirées ont été déterminées.

Abstract

Technological applications in the field of micro- and nano-technologies are evolving rapidly and are ever more demanding in their energy storage requirements for operation over long periods of time in a variety of environments. Chemical batteries are generally the preferred option due to their ease of use and high energy storage capacity. Mechanical energy storage devices (e.g., mechanical springs) provide a better resistance to extreme temperatures, more charge cycles before failure, a rapid release of energy and less leakage of stored energy compared to chemical batteries. Developments in advanced materials and nanotechnologies have led to materials with strengths that far exceed that of conventional materials and could be used to fabricate mechanical energy storage devices which compete with the chemical batteries in the specific energy (i.e., energy per unit mass). Here we used the Ultraviolet-Assisted Direct-Write (UV-DW) manufacturing process to produce three-dimensional (3D) micro-coils with filament diameters around 100 microns. By reducing the size of the filaments, the structures can be more compact and have higher energy densities (i.e., energy per unit volume). The UV-DW procedure involves the extrusion of 3D freeform filaments polymerized by immediate exposure to UV light. Helical and square spiral tower (SST) microcoil geometries and two modes of loading (tension and torsion) were analyzed in this study. A process-structure property relationship map was determined by fabricating multiple structures while varying the main process parameters. Parameter combinations leading to the desired structure configurations were determined. Helical and SST microcoils were fabricated and their mechanical responses were tested using a mechanical testing apparatus. For helical microcoils loaded in tension, a spring stiffness of 7.7 N m-1 was measured leading to a total energy storage of 34.2 μJ, an energy density of 4.15 kJ m-3 and a specific energy of 0.041 kJ kg-1.