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%.