Micro-extrusion de pâtes céramiques à base d'additifs respectueux de l'environnement – MECERAMECO

Le projet JCJC MECERAMECO vise à développer le procédé de micro-extrusion à l’Institut de Recherche sur les Céramiques, selon une approche innovante liée au respect des principes de la chimie verte.

La micro-extrusion est une technique de mise en forme qui permet de réaliser, à partir d'une pâte, des pièces à géométries variées, à l’échelle millimétrique. La gamme d'applications potentielles est large et touche divers domaines tels que la santé, l'énergie ou bien les technologies de l'information. Les pièces peuvent être fabriquées "à la demande" à partir de leur modélisation numérique, sans nécessité d’usinage. En comparaison avec la micro-injection ou le micro-usinage, la micro-extrusion présente donc certains avantages et permet d'évoluer vers la fabrication d’objets millimétriques complexes avec une productivité élevée (temps de séchage réduit) et un coût réduit (pas de moules ni d'outils diamantés).

Le succès de la micro-extrusion dépend fortement du comportement rhéologique de la pâte et par conséquent de sa formulation comprenant à la fois la poudre céramique et des additifs (solvant, dispersant, liant, plastifiant...). Habituellement, ces additifs sont issus de l'industrie pétrochimique et peuvent avoir un impact négatif sur l'environnement et sur la santé des opérateurs. Les législations françaises, européennes voire internationales deviennent de plus en plus strictes concernant l'utilisation des substances organiques au niveau industriel, ce qui entraîne souvent des surcoûts importants avec la modernisation des installations industrielles ou de nouvelles taxes écologiques pour le recyclage des déchets. Afin de développer des matériaux respectant les principes de la chimie verte, une attention particulière doit être accordée aux solvants aqueux et aux additifs respectueux de l'environnement. Des études ont déjà été menées dans ce sens. Par exemple, des formulations de pâtes ou de suspensions à base de dérivés cellulosiques sont rapportées dans la littérature.

A l’IRCER, des études ont commencé à explorer ces pistes afin d'aller encore plus loin en utilisant, des liants à base de produits non transformés chimiquement tel que le psyllium. Ces études préliminaires sont encourageantes et doivent être poursuivies. Ce projet a alors deux objectifs principaux. Le premier concerne le développement de pâtes céramiques (oxydes ou non oxydes) bio-sourcées concentrées (> 45%vol) innovantes et prêtes à l’emploi. Leur comportement rhéologique doit être adapté au procédé de micro-extrusion et assurer une cohésion suffisante de la pièce céramique crue. D'un point de vue fondamental, les interactions entre les polymères et les matières premières céramiques seront étudiées afin d'optimiser les formulations de pâte. Le lien entre les propriétés rhéologiques des pâtes, dont la plasticité et la cohésion, et leur extrudabilité à travers des buses dont le diamètre varie entre 1 mm et 100 µm sera examiné afin d’établir des critères d’extrudabilité. Le deuxième objectif consiste à développer, à l’IRCER, une chaîne numérique spécifiquement dédiée à la production de pièces en céramique. A l'opposé de la fabrication de produits métalliques ou plastiques via des procédés de fabrication additive, aucun logiciel spécialisé pour la micro-extrusion de pièces céramiques, qui serait capable de calculer un programme de fabrication directement à partir d'un modèle C.A.O, n'est disponible sur le marché. Ainsi, la seule solution viable consiste à utiliser et à adapter les éléments de la chaîne numérique déjà existants pour d'autres processus de prototypage. Les travaux menés concernant ce dernier point devraient permettre de micro-extruder tout objet à partir d’un modèle numérique de manière quasi-automatique, en ayant paramétré les différents maillons de la chaîne numérique, dont la stratégie de dépôt, en fonction des caractéristiques d’extrudabilité des pâtes développées et des propriétés structurales et microstructurales finales souhaitées.