Comment le « Y‑Zipper » met en évidence le potentiel de l’impression 3D

L’impression 3D, ou fabrication additive, est souvent présentée comme l’avenir de la fabrication. Et à bien des égards, elle l’est déjà, étant déployée pour des équipements avancés tels que des buses de fusée, des pièces de drones ou des implants médicaux sur mesure.

Ce qui rend l’impression 3D unique, c’est sa capacité à créer des formes complexes qui seraient très difficiles, voire impossibles, à produire avec des méthodes traditionnelles. En retour, cela ouvre des possibilités de conception entièrement nouvelles.

Ainsi, même si certaines formes traditionnelles de fabrication, comme le moulage ou l’usinage, resteront probablement présentes pour les pièces de base, l’impression 3D est de plus en plus utilisée pour explorer de nouvelles idées et revisiter des concepts qui avaient été abandonnés en raison de la complexité de fabrication.

Un exemple récent est le « Y‑zipper », un concept datant des années 1980, inventé par un professeur du MIT. Similaire dans ses principes de base à la fermeture éclair plate habituelle, le Y‑zipper est à trois côtés et peut adopter des formes beaucoup plus complexes.

Le brevet de plus de 40 ans a récemment été revisité par des chercheurs du MIT CSAIL (Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory), de l’Université de Tianjin (Chine), de l’Université technique de Munich (Allemagne) et de l’Université Keio (Japon).

En utilisant la technologie d’impression 3D moderne, ils ont créé et testé plusieurs versions du Y‑zipper et ont exploré ses applications potentielles en médecine, en robotique et dans les biens de consommation. Ils ont publié leurs résultats à l’Association for Computing Machinery (ACM)¹, sous le titre « Y‑zipper: 3D Printing Flexible–Rigid Transition Mechanism for Rapid and Reversible Assembly ».

Fermeture éclair expliquée

Les fermetures éclair sont fabriquées en assemblant deux ensembles de dents en plastique ou en métal parfaitement identiques. Un mécanisme de verrouillage pousse les dents à l’angle exact nécessaire, puis peut inverser le mécanisme lorsqu’on le tire dans l’autre direction.

Il a en fait fallu près de 20 ans pour que le concept devienne un succès commercial. Cela s’explique par le fait que, pour être fiable et ne pas endommager le sac, les vêtements ou d’autres articles fermés par la fermeture éclair, il doit être fabriqué avec une précision extrême afin que chaque dent soit parfaite.

En conséquence, le marché actuel des fermetures éclair est dominé par une seule entreprise, YKK, une société japonaise qui a construit sa domination de ce marché grâce à la haute qualité et la fiabilité de ses fermetures éclair, soutenues par une intégration verticale totale.

Rigidité réglable

Une nouvelle classe de matériau cherche à ajouter aux propriétés inhérentes du matériau une flexibilité supplémentaire, par exemple passer du flexible au rigide, sans modifier la composition du matériau.

Ces transitions de matériau rigide à flexible sont une propriété parfois appelée rigidité réglable. De nombreuses méthodes ont été explorées pour obtenir ce résultat, notamment les structures gonflables, les mécanismes inspirés de l’origami et les assemblages à base de Velcro. Cependant, elles souffrent toutes de problèmes de durabilité, de facilité de fabrication ou de formes possibles limitées.

Une autre approche consiste à utiliser des fermetures éclair qui sont rigides lorsqu’elles sont fermées et flexibles lorsqu’elles sont ouvertes. Certaines options ont été développées, par exemple :

• StructCurves reconfigure les fermetures éclair en modules de type bloc pour augmenter la stabilité à l’état fermé,
• Touch-n-Curl introduit des topologies de fermeture éclair ramifiées pour stabiliser des surfaces complexes et courbées.

Cependant, les deux méthodes utilisent des géométries de dents complexes qui nécessitent un assemblage manuel pièce par pièce. Cela compromet finalement l’un des principaux avantages de la fermeture éclair : son fonctionnement rapide et réversible.

Une autre option, actuateurs zip‑chain, stocke une chaîne qui devient rigide lorsqu’elle est enfilée et verrouillée.

Ces conceptions offrent une extension rapide et réversible avec une forte rigidité axiale, mais nécessitent du matériel spécialisé et des tolérances, ne peuvent pas être adaptées automatiquement à différentes géométries, et ne sont pas imprimables en une seule pièce.

Ainsi, la méthode idéale consisterait à combiner la rapidité et la réversibilité traditionnelles d’une fermeture éclair ordinaire avec la rigidité réglable des actuateurs zip‑chain, ce que le Y‑zipper réalise enfin.

Source: ACM

Concept du Y‑Zipper expliqué

Une invention de 40 ans remise à la vie

Le concept du Y‑zipper a été inventé par William Freeman, formant une forme triangulaire, où sur chaque côté il a cloué une sangle pour relier ensemble de fines « dents » en bois. Un curseur enroulé autour du dispositif pouvait être déplacé pour le redresser en un tube triangulaire.

À l’époque, le concept suscitait peu d’intérêt, mais Freeman a tout de même breveté son invention (brevet #4,757,577).

Source: MIT

L’ouverture ou la fermeture du Y‑zipper peut se faire manuellement, par corde de traction ou par mouvement robotique.

Le mouvement manuel est le plus simple, aidé par une prise sous la surface du curseur. La corde de traction peut être activée par un moteur fixe. Entre‑temps, l’actionnement robotique/dynamique utilisait un moteur N20, un microcontrôleur, un récepteur sans fil, deux engrenages personnalisés imprimés en 3D supplémentaires, et une batterie dans un boîtier de 15 mm × 25 mm × 35 mm ne pesant que 18 g. L’actionneur pouvait être contrôlé sans fil via Bluetooth à des distances allant jusqu’à 25 m.

Source: ACM

Il peut être mis à l’échelle jusqu’à des longueurs étendues, jusqu’à 3 mètres (10 pieds), s’adaptant à une large gamme de facteurs de forme et d’applications.

Le curseur est composé du séparateur supérieur, qui sépare les bandes lors du dézippage, et du convergeur inférieur, qui les rejoint lors du zippage.

Source: ACM