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.