Solvent Cast Direct Ink Writing of Mesoscale Metallic Structures

La fabrication additive (FA), également appelée impression tridimensionnelle (3D), modifie actuellement la façon dont nous concevons et fabriquons des structures de géométrie complexes. La possibilité de fabriquer presque toutes les géométries souhaitées permet la conception des structures requises pour obtenir les meilleures performances plutôt que la facilité de fabrication. FA crée un objet en ajoutant du matériau couche par couche à l'aide d'un modèle de conception assistée par ordinateur (CAD). Les avantages la rendent populaire auprès des chercheurs universitaires et de l'industrie manufacturière. Les processus de fabrication sans moule réduisent considérablement le coût et le temps nécessaires au prototypage rapide. Bien que les matériaux polymères FA soient très avancés pour créer facilement des structures 3D complexes, le métal est indispensable pour de nombreuses caractéristiques telles que la haute résistivité thermique, la conductivité électrique et les performances mécaniques. Les structures métalliques de méso-échelle fabriquées par additif sont largement utilisées dans diverses applications, par exemple les implants médicaux, les batteries, les électrodes et les capteurs. De nombreuses techniques de métal FA commercialisées, par exemple la fusion sélective au laser et la fusion par faisceau d'électrons, reposent sur un faisceau d'énergie de haute intensité pour faire fondre des particules métalliques de micro-taille. Cependant, le faisceau d'énergie nécessite des équipements coûteux et provoque des contraintes résiduelles dans les pièces fabriquées. L'objectif général de cette thèse est de développer un procédé de fabrication additive à faible coût permettant la fabrication de structures métalliques à méso-échelle présentant des performances électriques et mécaniques très élevées. Tout d'abord, une méthode a été développée pour construire des structures métalliques denses en combinant direct ink writing (DIW) à la température ambiante et traitements thermiques après déposition: frittage et infiltration métallique secondaire. La grande flexibilité du procédé permet la fabrication de géométries personnalisées, par exemple des structures entièrement remplies, poreuses, emboîtées et en surplomb. Ces structures sont imprimées à partir d'une encre métallique hautement concentrée constituée de microparticules d'acier fortement allié (HAS), d'acide poly-lactique (PLA) et de dichlorométhane (DCM). Les structures imprimées sont traitées thermiquement pour le frittage du métal menant à améliorer les performances mécaniques et électriques. La porosité des filaments des structures infiltrées en cuivre ne dépasse pas 0,2%.

Abstract

Additive manufacturing (AM), also referred to as three-dimensional (3D) printing, is currently changing the way we design and fabricate structures due to its ability to build complex geometries that are not accessible by subtractive manufacturing approaches. The ability to fabricate almost any desired geometry enables the design of structures required for best performance rather than ease of manufacturing. AM builds an object by adding material in a layer-by-layer fashion based on a computer-aided design (CAD) model. Abundance advantages of AM make it popular among academic researchers and the manufacturing industry. Few restrictions on the geometry of fabricated structures enable AM to create customized healthcare products. Mold-free manufacturing processes significantly reduce the cost and time for rapid prototyping. Although AM of polymeric materials is highly advanced to easily create complex 3D structures, metal is indispensable for many features such as thermal resistivity, electrical conductivity and mechanical performance. Additive manufactured mesoscale metallic structures are widely used in diverse applications, e.g., medical implants, batteries, electrodes, sensors, aerospace components and dental devices. Many commercialized metal AM techniques, e.g., selective laser melting and electron beam melting, rely on a high-intensity energy beam to fuse micro-sized metal particles. The energy beam, however, requires expensive equipment and causes residual stresses in the fabricated parts. The general objective of this dissertation is to develop a low-cost additive manufacturing method allowing the fabrication of mesoscale metal structures featuring high electrical and mechanical performances. First of all, a method was developed to build dense metallic structures by combining room-temperature direct ink writing (DIW) and post-deposition thermal-treatments: sintering and secondary metallic infiltration. The high flexibility of the method enables the fabrication of customized geometries, e.g., fully-filled, porous, interlocked and overhang structures. These structures are printed from a highly concentrated metallic ink consisting of highly alloyed steel (HAS) microparticles, polylactic acid (PLA) and dichloromethane (DCM). The as–printed structures are thermally treated to improve the mechanical and electrical performances. The filament porosity of the copper infiltrated structures is as low as 0.2%. Tensile tests and electrical conductivity measurements are carried out on the copper infiltrated structures, which reveal that the Young's modulus is up to 195 GPa and the electrical conductivity is as high as 1.42 × 106 S/m.