Solvent-Cast Three-Dimensional Printing of Polylactide Multifunctional Microsystems

Les progrès faits en termes de microstructuration tridimensionnelle (3D) permettent la configuration d'architectures complexes, qu'elles soient faites de polymère seul ou renforcé. Ces architectures peuvent participer à l'essor de nouvelles applications technologiques ou améliorer des applications existantes. Plusieurs stratégies et technologies ont récemment émergé pour la fabrication rapide et peu coûteuse de micro-appareils 3D faits à base de polymères thermoplastiques. La déposition par fusion ou "fused deposition modeling" est la méthode la plus populaire pour la fabrication de produits 3D à base de thermoplastiques. Par contre, la dégradation thermomécanique causée par les hautes températures du procédé de déposition et par la haute viscosité de la plupart des polymères fondus peut rendre difficile l'application de cette méthode aux nanocomposites. En effet, les nanoparticules augmentent de façon significative la viscosité du matériau. Bien que le procédé d'électro-filage ou "electrospinning" ait été utilisé pour produire des structures polymétriques diverses, la complexité des structures 3D obtenues est relativement limitée. L'objectif général de cette thèse est le développement d'une technique de fabrication permettant d'élaborer des structures 3D à base de matériaux nanocomposites constitués d'un polymère thermoplastique, le polylactide (PLA), et de nanotubes de carbone multi-parois. Cette thèse présente le développement d'une méthode de fabrication par écriture directe qui étend significativement les possibilités offertes par la microfabrication de structures 3D en nanocomposites thermoplastiques. Cette méthode commence par la déposition robotisée d'un filament de polymère dissout dans un solvant par micro-extrusion. L'évaporation rapide du solvant permet la solidification directe du filament extrudé. On peut donc donner à celui-ci des formes complexer en 3D comme par exemple des filaments, des tours, des échafaudages ou des spirales à forme libre. De plus, cette technique par évaporation de solvant a été démontrée comme étant abordable, hautement flexible et robuste pour la fabrication du microsystèmes dont des fibres microstructurées à haute ténacité, des canaux microfluidiques ou des micro-antennes.

Abstract

Three-dimensional (3D) structures fabricated from polymers and their nanocomposites may find widespread technological applications which either require, or could benefit from, the ability to pattern micro-sized features in complex 3D architectures. Several strategies and technologies have recently emerged to rapidly and cost-effectively fabricate thermoplastic polymer-based 3D microdevices. Fused deposition modeling (FDM) stands out as the most popular procedure to manufacture 3D products. However, the thermal degradation caused by high processing temperatures and the high viscosity of most polymer melts may prevent the application of this technique to functional nanocomposite devices, since nanoparticles can significantly increase material viscosity. Also, electrospinning has been used to produce fiber-based polymer structures but is limited in terms of 3D structure complexity. The overall objective of this thesis is the development of a manufacturing technique allowing the fabrication of 3D structures of thermoplastic polymers and their nanocomposites. This thesis reports the development of a direct-write fabrication technique that greatly extends the fabrication space for 3D thermoplastic nanocomposite structures. The solvent-cast 3D printing of microstructures uses a thermoplastic polymer or its nanocomposite solution as the ink. The method employs the robotically-controlled micro-extrusion of a filament combined with a rapid solvent evaporation. Upon drying, the increased rigidity of the extruded filament enables the creation of complex 3D shapes such as filaments, towers, scaffolds and freeform spirals. For a typical circular spiral, the average coil diameter was 966 ± 6 μm and the average pitch was 530 ± 25 μm. Both values were very close to the programmed deposition path (i.e., coil diameter of 1.0 mm, pitch of 500 μm). The layer-by-layer scaffold and the micro-cup were almost identical to their respective programmed deposition paths because the printing layer was supported by the underlying layer. The main limitation remains the freeform deposition of sharp turns which lead to some geometric discrepancies. Furthermore, the solvent-cast printing technique has been demonstrated to be a low-cost, highly flexible and powerful fabrication route of microsystems