Qu'est-ce que l'impression 4D, de toute façon ?

Imaginez acheter des chaussures qui peuvent s'ajuster automatiquement à vos pieds ou développer un dispositif médical qui peut parfaitement s'adapter à l'anatomie d'un patient lorsqu'il est déclenché par un stimulus spécifique. Ce ne sont là que quelques-unes des utilisations potentielles de l'impression 4D, un domaine de recherche passionnant et en pleine croissance.

Alors que l'impression 4D peut sembler sortir d'un roman de science-fiction, Gartner prédit que 300 millions de dollars seront investis dans l'impression 4D d'ici 2023, bien que la technologie soit encore loin de la disponibilité commerciale.

Alors, qu'est-ce que l'impression 4D exactement et en quoi peut-elle profiter aux fabricants ?

L'article d'aujourd'hui examinera le fonctionnement de l'impression 4D, ainsi que les applications actuelles et futures de la technologie.

Qu'est-ce que l'impression 4D ?

L'impression 4D donne aux objets imprimés en 3D la possibilité de changer de forme au fil du temps. Le terme « impression 4D » fait référence à cette quatrième dimension supplémentaire :le temps.

La technologie émergente combine les techniques d'impression 3D avec la science des matériaux, l'ingénierie et les logiciels de haut niveau.

Les matériaux jouent un rôle crucial dans l'impression 4D, car la technologie utilise des matériaux spécialement conçus pour réagir à un stimulus spécifique.

Les stimuli courants qui peuvent provoquer la transformation d'objets fabriqués incluent les changements de température, la lumière, l'eau, les champs magnétiques ainsi que les facteurs chimiques et autres facteurs environnementaux.

Lorsqu'ils sont déclenchés par une source externe, les objets imprimés en 4D peuvent se plier ou se déplier dans des formes prédéterminées, ouvrant la porte à une gamme d'applications passionnantes que nous explorerons ci-dessous.

En quoi l'impression 4D diffère-t-elle de l'impression 3D ?

L'impression 3D est une technologie de prototypage et de fabrication rapide qui dépose du matériau couche par couche pour créer des objets en trois dimensions.

Fondamentalement, l'impression 4D utilise les mêmes techniques que l'impression 3D pour créer des pièces. La principale différence est que les objets imprimés en 4D changent de forme au fil du temps une fois imprimés, tandis que les objets imprimés en 3D conservent la même forme fixe.

Au cours du processus 4D, un code géométrique est ajouté qui contient des « instructions » sur la façon dont une forme se déplacera ou changera une fois déclenchée par un stimulus. Cette étape de préprogrammation permet la création d'objets intelligents et réactifs qui peuvent s'adapter à des facteurs environnementaux spécifiques.

Comment fonctionne l'impression 4D ?

Pour se familiariser avec l'impression 4D, il faut d'abord comprendre comment un matériau réagira à un certain stimulus. En utilisant cette connaissance du comportement des matériaux, les ingénieurs peuvent concevoir un objet avec des variations dans sa structure matérielle.

Basé sur une conception CAO numérique, un modèle est ensuite imprimé en 3D, soit en un seul, soit en un matériau composite.

Une fois le processus d'impression terminé, un code géométrique préprogrammé dictera comment les différentes zones de l'objet doivent réagir à un stimulus spécifique.

Avec cette approche, les ingénieurs peuvent créer des composants qui prennent des formes prédéterminées ou se plient et se déplient d'une certaine manière lorsqu'ils sont déclenchés par un stimulus spécifique.

Il existe plusieurs technologies d'impression 3D adaptées au traitement de matériaux programmables ou « intelligents » :

• Stéréolithographie (SLA),
• Fused Filament Fabrication (FFF),
• Jet de matériau,
• Fusion laser sélective (SLM).

Alors que les trois premiers fonctionnent généralement avec des matériaux à base de polymères, les matériaux SLM courants sont les métaux.

Notamment, les récents progrès de l'impression 4D peuvent être largement attribués aux progrès de la technologie Material Jetting, qui permet l'impression multi-matériaux. Cette technologie fonctionne en projetant des gouttelettes de matériau, ce qui permet de contrôler étroitement son dépôt.

Quels matériaux peuvent être imprimés en 4D ?

Comme nous l'avons vu, la technologie utilise des matériaux « intelligents » spécialement conçus qui ont une ou plusieurs propriétés qui peuvent être modifiées par des déclencheurs extérieurs.

Bien que le portefeuille de matériaux d'impression 4D soit encore assez limité en raison du stade précoce de la technologie, nous avons décrit ci-dessous certains des matériaux les plus prometteurs pouvant être utilisés dans l'impression 4D :

Hydrogènes

Les hydrogels sont des réseaux hydrophiles de chaînes polymériques qui peuvent retenir une grande quantité d'eau. Les hydrogels peuvent être utilisés dans les technologies d'impression 3D à séchage UV et programmés pour changer de forme en réponse aux changements de température.

Comme leur composition est majoritairement d'eau, les hydrogels sont biocompatibles et donc particulièrement bien adaptés aux applications médicales. Les hydrogels peuvent également être utilisés dans des applications telles que la robotique souple et l'électronique flexible.

L'année dernière, des ingénieurs de l'Université Rutgers ont développé une méthode d'impression 4D pour créer un gel intelligent qui pourrait aider à la création de structures vivantes dans les organes humains et mouchoirs  Le matériel utilisé ? Hydrogel.

Dans cette application, le matériau hydrogel change de forme lorsqu'il est exposé à des changements de température. En plus de favoriser les applications biomédicales, ce développement pourrait également permettre de nouvelles applications en robotique douce, y compris des capteurs et des actionneurs flexibles.

Regardez la vidéo de Rutgers ci-dessous pour en savoir plus :

Polymères à mémoire de forme

Les polymères à mémoire de forme (SMP) sont des matériaux polymères intelligents qui ont la capacité de passer d'une forme temporaire fixe à leur forme d'origine lorsqu'ils sont exposés à un stimulus externe.

En raison de leur capacité d'actionnement actif (la capacité de déplacer et de contrôler un mécanisme ou un système), les SMP ont trouvé diverses applications dans l'aérospatiale, les robots mous, le biomédical et d'autres domaines.

Alliages à mémoire de forme

Les alliages à mémoire de forme (SMA) sont des matériaux métalliques intelligents qui, à l'instar des SMP, conservent une « mémoire » de leur forme d'origine et peuvent revenir à cette forme d'origine après déformation sous un stimulus.

Les SMA peuvent trouver des utilisations dans une variété de domaines, tels que l'aérospatiale, le génie civil et les dispositifs biomédicaux.

Céramique

L'année dernière, une équipe de recherche de la City University de Hong Kong a fait la démonstration d'une nouvelle encre céramique, qui combine des polymères et des nanoparticules de céramique.

Les précurseurs céramiques imprimés en 3D et imprimés avec cette encre sont doux et peuvent être étirés trois fois au-delà de leur longueur initiale. Certaines des applications prometteuses de ce matériau incluent des appareils électroniques ainsi que des applications dans l'industrie aérospatiale.

Applications passionnantes de l'impression 4D

L'impression 4D recèle un potentiel passionnant pour la façon dont les produits sont fabriqués aujourd'hui. Examinons plus en détail les possibilités qu'offre l'impression 4D.

Aérospatiale

La capacité de produire des matériaux intelligents qui réagissent aux facteurs externes est un avantage clé pour l'industrie aérospatiale. Ici, l'impression 4D peut être utilisée pour fabriquer des structures auto-déployables pour la ventilation de l'air, le refroidissement du moteur et d'autres utilisations similaires.

Airbus SAS, en partenariat avec le Self-Assembly Lab du MIT, travaille déjà avec l'impression 4D pour développer une solution qui refroidira ses moteurs en fonction de la température et d'autres facteurs.

Dans un exemple, Airbus et le MIT ont travaillé au développement d'un composant d'entrée d'air qui peut se transformer en réponse aux conditions aérodynamiques pour diminuer la résistance de l'air.

L'entrée d'air qui a été créée peut s'auto-ajuster pour permettre le contrôle automatique du débit d'air utilisé pour refroidir le moteur. En utilisant de la fibre de carbone, les ingénieurs ont programmé le matériau pour qu'il puisse répondre aux forces de pression.

L'entrée a été testée avec succès dans une soufflerie et pourrait être utilisée à l'avenir à la place du système mécanique lourd effectuant actuellement cette tâche.

Les missions spatiales peuvent également bénéficier de Impression 4D. Par exemple, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont utilisé des polymères à mémoire de forme pour imprimer en 3D la structure composée d'entretoises. Cette structure est temporairement pliée à plat mais peut se déplier lorsqu'elle est exposée à la chaleur. Les chercheurs pensent que leur invention peut être utilisée pour fabriquer des antennes pour les engins spatiaux et des robots mous qui changent de forme.

Défense

Les avantages de l'impression 3D pour l'industrie de la défense sont nombreux. Aujourd'hui, l'industrie se tourne vers l'impression 4D pour plus d'applications.

L'une des utilisations les plus prometteuses de l'impression 4D pourrait impliquer des uniformes militaires pouvant altérer leur camouflage ou mieux protéger contre les gaz toxiques ou les éclats d'obus au contact.

Les chercheurs explorent également les façons dont les militaires pourraient utiliser des objets à assembler eux-mêmes, y compris la possibilité d'abris ou de ponts qui s'assemblent eux-mêmes.

Médical

Le potentiel de l'impression 4D dans le domaine médical est énorme. Ici, la technologie pourrait être utilisée dans des applications allant de l'ingénierie tissulaire et des dispositifs biomédicaux intelligents à la fabrication de nanoparticules et de nanorobots pour la chimiothérapie.

Par exemple, des chercheurs du MIT ont développé une encre imprimable en 3D infusée de microparticules magnétiques. Les structures imprimées en 3D avec ce matériau sont magnétiques et peuvent donc être contrôlées à distance.

Cette technologie pourrait être utilisée pour fabriquer des dispositifs pouvant être guidés par un aimant à travers le tractus gastro-intestinal pour prendre des images, extraire des échantillons de tissus, éliminer un blocage ou administrer certains médicaments à une zone spécifique du corps .

Une autre application potentielle de l'impression 4D réside dans l'ingénierie tissulaire. Dans ce domaine, des hydrogels biocompatibles pourraient être utilisés pour imprimer une peau artificielle pour des greffes et même des implants capables de changer de forme et de fonctionner sans intervention extérieure.

Automobile

En 2016, BMW a présenté sa vision futuriste d'un concept-car, qui comprenait l'impression 4D. L'un des éléments inclus l'utilisation de l'impression 4D pour produire des composants automobiles capables de s'adapter aux conditions environnementales changeantes.

Bien qu'il ne s'agisse que d'un concept, deux ans plus tard, le constructeur automobile, en collaboration avec le laboratoire d'auto-assemblage du MIT, a annoncé la création d'une structure 4D gonflable qui peut s'auto-ajuster en fonction des changements de pression atmosphérique. Fabriqué en silicone, le matériau gonflable reflète la vision de BMW en matière de conception adaptative.

La structure 4D pourrait être utilisée pour les sièges d'auto, offrant un soutien et un confort adaptatifs - ou même pour des performances d'impact sous la forme d'airbags.

Biens de consommation

La production de produits de consommation est un autre domaine qui pourrait être réinventé par l'impression 4D. Par exemple, la technologie pourrait être utilisée pour fabriquer des meubles à plat comme des chaises et des tables, qui s'assembleraient automatiquement lorsqu'ils seraient déclenchés.

Une fois achetés, les meubles imprimés en 4D se ressaisaient simplement, éliminant le besoin d'ouvrir une boîte et d'assembler toutes les pièces manuellement. À terme, cela pourrait conduire à des produits qui nécessiteraient moins d'espace de stockage et faciliteraient le transport.

Impression 4D :la prochaine grande nouveauté ?

L'impression 4D est un domaine fascinant qui ouvre des possibilités passionnantes pour la fabrication. La capacité de fabriquer des objets dotés de fonctionnalités programmables pourrait transformer la façon dont les biens sont produits.

Cependant, il est important de noter que la plupart des projets discutés ici sont encore en phase de recherche et d'expérimentation - et la technologie a encore un long chemin à parcourir avant de devenir commercialement viable pour les entreprises.

Mais, au fur et à mesure que la recherche se poursuit, l'impact de l'impression 4D pourrait être énorme, touchant des applications dans un large éventail d'industries.

En réalité, il faudra plusieurs années, voire une décennie ou plus, avant de voir les applications grand public de l'impression 4D. Cela dit, la technologie semble prête à suivre l'évolution de l'impression 3D pour devenir la prochaine technologie de rupture dans la fabrication.