Characterization and Design of 3D Printed Composite Insole Fabricated by Dual-Nozzle 3D Printer Using CB-PLA and Fe-PLA Filaments

Résumé Technique : Caractérisation et conception d'une semelle composite imprimée en 3D par une imprimante 3D à double buse utilisant des filaments CB-PLA et Fe-PLA

Problématique
Les technologies de semelles intelligentes existantes pour la surveillance de la pression plantaire et des paramètres de la marche reposent souvent sur des capteurs montés de manière externe, de l'électronique câblée ou des assemblages multicouches. Ces conceptions conventionnelles souffrent fréquemment d'un confort réduit, d'une complexité structurelle accrue et d'une vulnérabilité aux défaillances mécaniques sous des charges répétées. Bien que le dépôt de filament fondu (FDM) offre une voie vers des géométries complexes, l'impression traditionnelle à un seul matériau limite l'intégration fonctionnelle. De plus, l'assemblage de composants distincts via des adhésifs ou des fixations mécaniques crée des liaisons interfaciales faibles qui compromettent la durabilité et la performance. Il existe un besoin pour des systèmes de semelles intégrés où les fonctionnalités de détection (électriques et magnétiques) sont directement incorporées dans le corps structurel afin d'améliorer la robustesse et l'expérience utilisateur.

Méthodologie
Cette étude a utilisé une imprimante 3D FDM à double buse (Ultimaker S3) pour fabriquer des structures composites et des semelles intelligentes en utilisant trois types de filaments de polyacide lactique (PLA) : du PLA standard (gaine), du PLA chargé en noir de carbone (CB-PLA, cœur conducteur) et du PLA chargé en fer (Fe-PLA, cœur magnétique).

La recherche s'est déroulée en deux phases :

1. Fabrication de structures composites : Les auteurs ont comparé deux stratégies de fabrication :
   • Structures assemblées : Les composants de la gaine et du cœur ont été imprimés séparément et joints physiquement après l'impression.
   • Structures intégrées : Les matériaux de la gaine et du cœur ont été co-imprimés simultanément dans un processus continu unique.
     Les échantillons ont été créés avec des diamètres de cœur de 1,25, 2,50, 5,00, 7,50 et 10,00 mm, et une épaisseur fixe de 5,00 mm.
2. Fabrication de semelles intelligentes : Sur la base des performances des structures composites, la stratégie intégrée a été choisie pour la production des semelles. Les semelles ont été conçues avec six zones de détection correspondant aux principales zones de pression plantaire (métatarse, milieu du pied, talon). Celles-ci ont été fabriquées avec des diamètres de cœur de 2,50, 5,00, 7,50 et 10,00 mm, et des épaisseurs variables de 1,00, 2,50 et 5,00 mm.

Caractérisation et Tests
Les échantillons fabriqués ont été évalués selon :

• Efficacité d'impression : Temps d'impression réel et poids total.
• Propriétés électriques : Caractéristiques courant-tension (I-V) mesurées à l'aide d'un voltampèremètre (Keithley 2450) pour évaluer la conductivité des structures CB-PLA.
• Propriétés magnétiques : Intensité du champ magnétique mesurée à l'aide d'un gaussmètre (LANDTEK GS-100D2) pour les structures Fe-PLA.
• Propriétés mécaniques : Résistance à la compression et comportement de déformation testés via une machine d'essai universelle (Instron 5567), incluant l'analyse des courbes contrainte-déformation et des changements dimensionnels post-compression.

Résultats Clés

• Efficacité de fabrication : Les structures assemblées ont nécessité environ 1 minute de temps d'impression de moins que les structures intégrées en raison de la fabrication séparée des composants. Cependant, les structures intégrées étaient systématiquement plus légères que leurs homologues assemblées.
• Conductivité électrique : Seules les structures PLA/CB-PLA présentaient une conductivité électrique ; les structures PLA/Fe-PLA étaient électriquement isolantes. Dans les structures intégrées PLA/CB-PLA, les performances électriques s'amélioraient avec des diamètres de cœur plus grands. La structure intégrée PLA/CB-PLA-10.00 (épaisseur de 1,0 mm) a atteint le courant le plus élevé de 0,10 A à 24 V. Les semelles plus fines démontraient généralement une conductivité plus élevée.
• Intensité du champ magnétique : Les structures PLA/Fe-PLA généraient des champs magnétiques, tandis que les structures PLA/CB-PLA présentaient une réponse magnétique négligeable. La force magnétique augmentait avec le diamètre du cœur et diminuait avec l'épaisseur de la semelle en raison de l'atténuation du flux magnétique. La semelle intégrée PLA/Fe-PLA-10.00 (épaisseur de 1,0 mm) a atteint une intensité de champ magnétique maximale de 351 ± 8,84 Gs.
• Performance mécanique : Les structures intégrées ont démontré une intégrité mécanique supérieure par rapport aux structures assemblées. Les échantillons assemblés présentaient des liaisons interfaciales faibles, entraînant des chutes de contrainte soudaines et des courbes contrainte-déformation irrégulières lors de la compression. En revanche, les structures intégrées ont montré des courbes S-S stables, une capacité de charge plus élevée (jusqu'à 10,22 kN pour la PLA/Fe-PLA-10.00 intégrée) et une déformation uniforme. La liaison continue du processus à double buse a facilité un transfert de contrainte efficace et réduit les vides internes.

Signification et Revendications
L'étude conclut que l'impression FDM à double buse de filaments composites à base de PLA offre une méthode pratique et évolutive pour la production de semelles multifonctionnelles. La principale signification réside dans la conception intégrée gaine-cœur, qui élimine le besoin d'assemblage post-impression et de liaison adhésive, réduisant ainsi la complexité structurelle et améliorant la durabilité mécanique.

Les auteurs affirment qu'en contrôlant la taille du cœur et l'épaisseur, il est possible de moduler les propriétés électriques et magnétiques des semelles pour des applications de détection spécifiques. L'approche intégrée combine avec succès l'intégrité structurelle avec des capacités de détection embarquées (électrique pour le CB-PLA, magnétique pour le Fe-PLA), établissant une base pour de futures recherches sur les chaussures entièrement intégrées et portables pour la surveillance de la marche et la rééducation, sans les limitations du montage de capteurs externes.