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Les ingénieurs développent une méthode d'impression 3D de matériaux piézoélectriques

Les ingénieurs développent une méthode d'impression 3D de matériaux piézoélectriques

Les matériaux piézoélectriques sont de petites merveilles d'ingénierie qui peuvent être trouvées dans tout, de nos téléphones aux cartes de voeux musicales en raison de leur capacité à générer une charge électrique en réponse à un stress mécanique appliqué. Cependant, ils ont leurs limites.

Les matériaux très utiles et populaires se présentent sous quelques formes définies. De plus, ils sont constitués de cristal cassant et de céramique qui nécessitent une salle blanche pour être fabriqués.

Désormais, grâce à une nouvelle technique de Virginia Tech, le matériau pourra être imprimé en 3D de manière à ne pas les restreindre par la forme ou la taille.

Librement conçu

«Les matériaux piézoélectriques convertissent la déformation et la contrainte en charges électriques», a expliqué Xiaoyu 'Rayne' Zheng, professeur assistant de génie mécanique au College of Engineering et membre du Macromolecules Innovation Institute.

"Nous avons développé une méthode de conception et une plateforme d'impression pour concevoir librement la sensibilité et les modes de fonctionnement des matériaux piézoélectriques."

"En programmant la topologie active 3D, vous pouvez obtenir à peu près n'importe quelle combinaison de coefficients piézoélectriques dans un matériau, et les utiliser comme transducteurs et capteurs qui sont non seulement flexibles et solides, mais qui répondent également à la pression, aux vibrations et aux impacts via des signaux électriques qui indiquer l'emplacement, l'ampleur et la direction des impacts à n'importe quel endroit de ces matériaux. "

L'équipe de Zheng a conçu un ensemble de topologies imprimables en 3D qui permettent au matériau de générer un mouvement de charge électrique en réponse aux forces entrantes et aux vibrations de n'importe quelle direction. Contrairement aux piézoélectriques précédents où la charge électrique était déterminée par des cristaux intrinsèques, la nouvelle méthode permet aux utilisateurs de prescrire les réponses en tension à amplifier, inverser ou supprimer dans n'importe quelle direction.

L'équipe de Zheng a atteint cet objectif en produisant des substituts pour les cristaux intrinsèques qui les imitent tout en permettant de modifier l'orientation du réseau.

«Nous avons synthétisé une classe d'encres piézoélectriques très sensibles qui peuvent être sculptées en éléments tridimensionnels complexes avec la lumière ultraviolette. Les encres contiennent des nanocristaux piézoélectriques hautement concentrés liés à des gels sensibles aux UV, qui forment une solution - un mélange laiteux comme le cristal fondu - que nous imprimons avec une imprimante 3D à lumière numérique haute résolution », a déclaré Zheng.

"Nous pouvons adapter l'architecture pour les rendre plus flexibles et les utiliser, par exemple, comme dispositifs de récupération d'énergie, en les enveloppant autour de toute courbure arbitraire", a déclaré Zheng. "Nous pouvons les rendre épais, légers, rigides ou absorbants d'énergie."

Sensibilités 5 fois plus élevées

Les matériaux résultants ont également des sensibilités 5 fois plus élevées que les polymères piézoélectriques flexibles, ce qui leur permet d'être produits à une échelle allant d'une mince feuille de gaze à un bloc robuste.

"Nous avons une équipe qui les transforme en dispositifs portables, comme des anneaux, des semelles intérieures, et les met dans un gant de boxe où nous pourrons enregistrer les forces d'impact et surveiller la santé de l'utilisateur", a déclaré Zheng.

«La capacité à obtenir les propriétés mécaniques, électriques et thermiques souhaitées réduira considérablement le temps et les efforts nécessaires pour développer des matériaux pratiques», a déclaré Shashank Priya, vice-président associé pour la recherche à Penn State et ancien professeur de génie mécanique à Virginia Tech.


Voir la vidéo: Les Materiaux Piezoelectriques (Novembre 2021).