L'impression 4D : révolutionner la fabrication additive pour des solutions adaptatives

Vidéo 1 : Architecture à géométrie variable. Source : Université 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 se transforme en une structure différente sous l'influence d'une énergie externe telle que la température, la lumière ou d'autres stimuli environnementaux. Autrement dit, on obtient un objet via la technologie 3D qui, grâce aux propriétés de son matériau, est capable de se transformer 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 ne réside pas tant dans le processus, basé sur les imprimantes 3D classiques, que dans les matériaux. Cette technologie étant relativement récente, les matériaux disponibles sont moins variés que pour l'impression 3D standard. Cependant, certains sont très prometteurs.

SMP (polymères à mémoire de forme)

Des polymères qui restent rigides à température ambiante et offrent des propriétés spéciales lorsqu'ils atteignent leur point de transition vitreuse. Un exemple serait le TPU SMP de Convena : un filament 4D à base de TPU (polyuréthane thermoplastique) qui permet le post-traitement pour modifier la forme de pièces imprimées en 3D. Grâce à sa composition particulière et à la technologie des polymères à mémoire de forme, les pièces imprimées avec ce filament peuvent être modifiées manuellement, leur permettant d'adopter une autre forme et de la conserver dans le temps.

Le processus de modification de forme d'une pièce imprimée en 3D avec du filament SMP TPU consiste à placer la pièce dans un récipient d'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 en modifier la forme. Une fois refroidie, la pièce conserve la forme acquise et reste stable. De plus, les pièces imprimées en 3D avec du filament SMP TPU peuvent retrouver leur forme originale en inversant le processus : on porte à nouveau le matériau à sa température de transition vitreuse.

LCE (élastomères à cristaux liquides)

Ils contiennent des cristaux liquides qui sont sensibles à la chaleur. En contrôlant leur orientation, la forme désirée peut être programmée : sous l'effet de la température, le matériau se détend et se transforme selon le code dicté.

Hydrogels

Chaînes 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 comme le bois ou le carbone, ajoutés aux SMP ou aux hydrogels. Cela donne des objets comportant des zones rigides et des zones mobiles.

Applications

Au vu 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 ponts, abris ou autres installations serait une avancée majeure. Des briques 4D capables de modifier murs et toits selon l'environnement permettraient d'ajuster et d'améliorer les conditions intérieures.

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

Médecine

Dans ce domaine, 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 surveillés une fois intégré au patient.

Ce concept s'applique à toute la médecine régénérative et à la fabrication de structures cellulaires. L'impression 4D permettrait aux cellules de s'adapter au corps humain selon sa température, par exemple. Pour les médicaments, il serait possible d'imprimer un dispositif libérant la dose requise selon 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 : à l'avenir, nous pourrions avoir des pneus capables de se réparer en cas de crevaison ou de s'adapter au terrain et aux conditions météorologiques.

Dans l'aéronautique, un composant imprimé en 4D pourrait réagir aux changements de pression atmosphérique ou de température et ainsi modifier sa fonction. Airbus travaille actuellement sur de tels développements, ces composants pouvant remplacer charnières et actionneurs hydrauliques, allégeant considérablement les appareils. De plus, Airbus développe aussi des matériaux thermoréactifs pour refroidir les moteurs d'avion.

Raúl Pulido Casillas, ingénieur espagnol, a créé un tissu intelligent imprimé en 4D pour la NASA. La maille métallique, composée de pièces d'argent assemblées, a une régulation thermique programmée dans son impression. Autrement dit, non seulement sa forme a été imprimée, mais aussi la fonction des matériaux. Capable de refléter la chaleur à l'extérieur et de la retenir à l'intérieur, il pourrait être un élément idéal pour la fabrication de combinaisons d'astronautes ou le revêtement de vaisseaux spatiaux.

Mode

Dans l'industrie textile, l'impression 4D trouve aussi sa place. La possibilité d'imprimer des chaussures s'adaptant au mouvement, à l'impact, à la température et à la pression atmosphérique est envisageable. L'armée américaine s'est déjà aventurée dans ce domaine et teste des uniformes changeant de couleur selon l'environnement, ou régulant la transpiration selon le pouls du soldat ou la température ambiante.

Bien que nous en soyons encore aux balbutiements, il est certain que la technologie 4D révolutionnera la fabrication et la nature des objets dans les prochaines années, tout comme l'impression 3D l'a fait en son temps.