Impression 4D : l'avenir de l'impression 3D

Et si les tuyaux pouvaient se réparer automatiquement s'ils se fissurent ou se cassent, ou si les vêtements pouvaient changer en fonction du temps ou de l'activité de l'utilisateur ? Des meubles qui s'assemblent tout seuls, des prothèses qui s'adaptent à la croissance... Ce ne sont là que quelques-unes des applications possibles que la technologie d'impression 4D envisage.

Image 1 : Pince imprimée en 4D modifiant sa forme. Source : Sculpteo.

L'impression 3D existe depuis près de 30 ans et, bien qu'elle soit encore en phase de recherche, de découverte de nouveaux matériaux et d'applications, de nouvelles technologies telles que la 4D ont vu le jour.

Au laboratoire du MIT Self-assembly, ils ont développé un projet dont l'impression 4D fait partie. Son objectif est de combiner la technologie et le design pour inventer des matériaux programmables et des technologies d'auto-assemblage dans le but de réinventer la construction, la fabrication, l'assemblage et la performance des produits. Entre-temps, une étude de l'Institut Wyss (qui fait partie de l'Université de Harvard) a réussi à imprimer un objet qui, lorsqu'il entre en contact avec de l'eau, change de forme, entraînant une sorte de floraison de ses extrémités. Ils ont mis au point un matériau basé sur des structures naturelles, comme les plantes, auquel on a injecté des fibres de cellulose pendant le processus d'impression.

Vidéo 1 : l'architecture changeante. Source : Université de Harvard.

Qu'est-ce que l'impression 4D ?

Inspirée du principe d'auto-assemblage, l'impression 4D est le processus par lequel un objet imprimé en 3D est transformé en une structure différente sous l'influence d'un apport d'énergie externe comme la température, la lumière ou d'autres stimuli environnementaux. C'est-à-dire obtenir un objet par le biais de la technologie 3D qui, grâce aux propriétés du matériau dont il est fait, est capable de changer lorsqu'il est soumis à un stimulus environnemental.

C'est précisément la différence entre les technologies 3D et 4D : la capacité des objets à se transformer au fil du temps sans intervention humaine.

Matériaux utilisés

La clé de l'impression 4D n'est pas tant le processus, basé sur les imprimantes 3D bien connues, que les matériaux. Comme il s'agit d'une technologie relativement nouvelle, les matériaux disponibles ne sont pas aussi variés que ceux utilisés pour l'impression 3D standard. Cependant, il y en a de très intéressantes.

SMP (polymères à mémoire de forme)

Polymères qui restent rigides à température ambiante et offrent des propriétés particulières lorsqu'ils atteignent le point de transition vitreuse. Le TPU SMP de Convena en est un exemple : un filament 4D dont la composition est basée sur le TPU (polyuréthane thermoplastique) et qui permet de modifier la forme des pièces imprimées en 3D par post-traitement. Grâce à sa composition spéciale et à la technologie des polymères à mémoire de forme, les pièces imprimées avec ce filament peuvent être modifiées manuellement, ce qui leur permet d'acquérir une autre forme et de la conserver dans le temps.

Le processus de modification de la forme d'une pièce imprimée en 3D avec un filament TPU SMP consiste à placer la pièce imprimée en 3D dans un récipient contenant de l'eau chaude jusqu'à ce qu'elle atteigne sa température de transition vitreuse. À ce stade, la pièce se ramollit et l'utilisateur peut facilement modifier sa forme. Une fois refroidie, la pièce conserve la forme acquise et reste stable. En outre, les pièces imprimées en 3D avec le filament SMP TPU peuvent retrouver leur forme initiale en inversant le processus. En d'autres termes, la température de transition vitreuse du matériau est à nouveau atteinte.

LCE (élastomères de cristal liquide)

Ils contiennent des cristaux liquides qui sont sensibles à la chaleur. En contrôlant leur orientation, il est possible de programmer la forme souhaitée : sous l'effet de la température, le matériau se détend et se transforme selon le code dicté.

Hydrogels

Chaînes de polymères constituées principalement d'eau, particulièrement utilisées dans les procédés de photopolymérisation. Ces dernières sont axées sur le secteur médical en raison de leur biocompatibilité.

En outre, certains procédés d'impression 4D peuvent utiliser divers matériaux, principalement des composites tels que le bois ou le carbone, qui sont ajoutés au SMP ou aux hydrogels. On obtient ainsi des objets comportant des zones rigides et des zones mobiles.

Applications

Compte tenu des nombreux avantages de ces matériaux intelligents, les applications de l'impression 4D sont innombrables.

Construction

La construction de structures adaptées au climat, telles que des ponts, des abris ou d'autres installations, constituerait un grand pas en avant dans ce domaine. Des briques 4D capables de modifier les murs et les toits en fonction de l'environnement permettraient de modifier et d'améliorer les conditions intérieures.

Video 2: Bois programmable. Source :: Self-Assembly Lab, MIT.

Médecine

Dans ce cas, l'impression 4D offre la possibilité de créer des dispositifs sur mesure, intelligents et évolutifs. Par exemple, en imprimant un implant en 4D, son état et sa viabilité pourraient être plus facilement contrôlés une fois qu'il est intégré au patient.

Ce concept est applicable à toute la médecine régénérative et à la fabrication de structures cellulaires. L'impression 4D permettrait aux cellules de s'adapter au corps humain en fonction de sa température, par exemple. Si l'on parle de médicaments, il serait possible, par exemple, d'imprimer un dispositif qui libérerait la dose requise en fonction de la température corporelle du patient.

Transport

Il y a quelques mois, BMW et le MIT ont présenté leur matériau gonflable, qui change de forme et de taille sous l'effet d'impulsions d'air. Les applications sont très intéressantes, car à l'avenir nous pourrions avoir des pneus capables de se réparer eux-mêmes en cas de crevaison ou de s'adapter au terrain et aux conditions météorologiques de l'environnement.

Dans le cas de l'industrie aéronautique, un composant imprimé en 4D pourrait réagir aux changements de pression atmosphérique ou de température et ainsi changer de fonction. Airbus travaille actuellement sur de tels développements, car ces composants pourraient remplacer les charnières et les actionneurs hydrauliques, allégeant ainsi considérablement les appareils. En outre, elle travaille également au développement de matériaux thermoréactifs pour refroidir ses moteurs d'avion.

Raúl Pulido Casillas, un ingénieur espagnol, a créé un tissu intelligent imprimé en 4D pour la NASA. La maille métallique, composée de pièces d'argent assemblées entre elles, a une régulation thermique programmée dans son impression. En d'autres termes, non seulement sa forme a été imprimée, mais aussi la fonction des matériaux. Comme il est capable de réfléchir la chaleur à l'extérieur et de la retenir à l'intérieur, il pourrait être un élément idéal pour fabriquer des combinaisons d'astronautes ou couvrir des vaisseaux spatiaux.

Mode

Dans l'industrie textile, l'impression 4D trouve également sa place. Il est possible d'imprimer des chaussures qui s'adaptent aux mouvements, aux chocs, à la température et à la pression atmosphérique. L'armée américaine a déjà fait une incursion dans ce domaine et teste des uniformes qui changent de couleur en fonction de l'environnement, ou qui régulent la transpiration en fonction du pouls du soldat ou de la température ambiante.

Bien que nous n'en soyons encore qu'aux balbutiements, il est certain que la technologie 4D va révolutionner la fabrication et la nature des objets au cours des prochaines années, tout comme l'a fait l'impression 3D en son temps.