Fabrication additive multi-matériaux et procédés de dispositifs piézoélectriques pour la création de structures intelligentes

L'intégration de plusieurs matériaux à une unique plateforme de fabrication additive et l'utilisation de matériaux dits « intelligents » est aujourd'hui au centre de l'attention de nombreux groupes de recherche mais le domaine n'en est qu'à ses débuts. La particularité des matériaux piézoélectriques est qu'ils sont capables de générer des charges électriques lorsqu'ils subissent une déformation. Cette propriété les rend particulièrement adaptés à la fabrication de capteurs, d'actionneurs et de dispositifs de captage d'énergie. Dans ce travail, nous avons étudié trois voies permettant la fabrication additive multi-matériaux de capteurs et dispositifs de captage d'énergie piézoélectriques de géométries variées. Dans un premier temps, un procédé de fabrication additive bi-matériaux par FFF (Fuse Filament Fabrication) a été utilisé pour fabriquer quatre types de capteurs à partir d'un composite de Titanozirconate de plomb (PZT) et polyuréthane thermoplastique (TPU) et d'un filament conducteur disponible commercialement. Les performances des différents capteurs en impact et en compression étaient ensuite comparées. La structure en treillis d'octets et la structure cubique centrée, caractérisées par un rapport tension de sortie/masse du capteur de 202,22 mV/g et 222,84 mV/g, respectivement et un ratio tension de sortie/contrainte appliquée égal à 0,91 mV/N et 0,87 mV/N se sont avérées être les plus performantes. Aussi, nous avons démontré la possibilité de fabriquer des capteurs piézoélectriques par fabrication additive bi-matériaux. Cependant, la méthode utilisée nous contraignait dans la géométrie des structures pouvant être fabriquées. Dans un second temps, nous avons considéré une plateforme de fabrication additive multimatériaux et multi-procédés (FFF et DIW- Direct Ink Writing) permettant la fabrication de dispositifs de captage d'énergie planaires et non planaires. Deux composites, un conducteur et un piézoélectrique, ont été élaborés par intégration de particules d'argent et de BaTiO3, respectivement à une matrice de TPU et ont été utilisés comme encres dans le procédé de DIW. De l'acide polylactique (PLA) était utilisé pour fabriquer le support des dispositifs par FFF. Les dispositifs ainsi fabriqués pouvaient générer un courant et une tension de sortie maximaux de 35 nA et 16 Vpp, respectivement. De plus, ils étaient capables de charger un condensateur de 100 µF à 3 mV en une dizaine de secondes. Nous avons donc démontré la possibilité de fabriquer des dispositifs de captage d'énergie piézoélectriques.

Abstract

Today, the use of several materials, including smart materials, in a single AM platform is the focus of attention of a number of research groups but the field is still at an early stage. The key feature of piezoelectric materials is their ability to generate electric charges when subjected to mechanical deformation. This property makes them perfect candidates for the manufacture of sensors, actuators and energy harvesting devices. Therefore, in this work, we have explored three ways to fabricate sensors and energy harvesters through the use of multi-materials AM processes. Firstly, we developed and used a bi-materials FFF (Fuse Filament Fabrication) process to fabricate four types of sensors from a piezoelectric composite made of lead zirconate titanate (PZT) and thermoplastic polyurethane (TPU) and a commercially available conductive TPU filament. The performance of the different sensors was assessed and compared through impact and compression tests. The octet truss and the body centered cubic structures exhibited the best results with an output tension/weight ratio of 202.22 mV/g and 222.84 mV/g, respectively and an output tension/applied force of 0.91 mV/N and 0.87 mV/N, respectively. Thus, we were able to demonstrate the fabrication of piezoelectric sensors using a bi-materials AM platform. However, the method we used imposed us to fabricate planar structures only. Second lu, we developed a multi-material, multi-process (FFF and DIW-Direct Ink Writing) AM platform and used it to fabricate planar and non-planar energy harvesting devices. A piezoelectric and a conductive composite were prepared by dispersing BaTiO3 and silver particles, respectively, in a TPU matrix. These materials were used as DIW inks. Polylactic acid was used to print the substrate of each device using FFF. The final energy harvesters were able to generate a 35 nA output current and a 16 Vpp voltage. Moreover, they were able to charge a 100 µF at 3 mV capacitor in about 10 s. Thus, we were able to demonstrate the functionality of the multi-material, multiprocess platform we developed. However, the performances of the structures we fabricated should be tailored to specific working modes. Moreover, the platform we used limited us in the geometry of the devices we could fabricate – freeform structures could not be made. Finally, in the last part of this work, we developed a bi-material DWI process in a supporting bath and used it to manufacture fully flexible piezoelectric sensors.