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En quoi l’impression 4D influencera-t-elle les techniques de fabrication actuelles ?

Publié le 23 septembre 2019 par Mélanie R.
impression 4D

En avril 2013, Skylar Tibbits, fondateur du Self-assembly Lab du MIT, anime une conférence TEDx qui bouleversera le marché de l’impression 3D : il ajoute pour la première fois une quatrième dimension à cette technologie qui a déjà révolutionné de nombreux secteurs. Il parle alors d’impression 4D en expliquant qu’il est possible d’ajouter à un matériau d’impression 3D une nouvelle caractéristique, à savoir la capacité de transformation à travers le temps. Le matériau pourrait changer de forme par lui-même, sans intervention humaine quelconque mais simplement par l’effet d’un facteur externe comme la lumière, la chaleur, une vibration, etc.

Depuis, l’impression 4D intéresse de nombreuses industries qui y voient un grand potentiel pour personnaliser des dispositifs et des structures. Selon le rapport Gartner 2019, l’intérêt pour l’impression 4D croît de plus en plus : d’ici 2023, les startups qui se concentreront sur cette technologie devraient attirer 300 millions de dollars en capital de risque. Alors forcément, face à ce constat, on se demande quel sera le futur de l’impression 4D ; pourra-t-elle remplacer la fabrication additive ? Quel sera son impact sur l’Industrie ?

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L’objet imprimé en 4D change progressivement de forme (crédits photo : Self-Assembly Lab)

Comment fonctionne l’impression 4D ?

L’impression 4D s’inspire fortement du principe d’auto-assemblage qui n’est pas un concept nouveau – vous avez surement entendu parler d’auto-assemblage moléculaire où les molécules viennent former des structures complexes sans intervention humaine quelconque. C’est un concept beaucoup employé en nanotechnologie également. L’impression 4D reprend donc ce principe en l’amenant à l’échelle supérieure – puisqu’il est possible que de petites structures à l’échelle microscopique s’assemblent toutes seules, pourquoi ne pas l’imaginer sur de plus grands objets imprimés en 3D ?

Tandis que l’impression 3D fabrique des objets qui conservent leur forme fixe, l’impression 4D vient changer leurs formes mais aussi leurs couleurs, leur taille, la façon dont ils se déplacent, etc. Elle exploite des matériaux déjà connus de l’industrie qu’on appelle des matériaux « intelligents » qui ont été programmés pour changer de forme sous l’effet d’un facteur externe, le plus souvent la température, à l’image d’un ordinateur qui obéit à un code. On vient donc ajouter ce code au matériau qui fournit des instructions à la pièce imprimée. Bastien E. Rapp, Président du Process Technology Laboratory NeptunLab, explique : « L’impression 4D est la forme fonctionnelle de l’impression 3D. Au lieu d’imprimer uniquement des structures physiques, nous pouvons maintenant imprimer des fonctionsC’est comme incorporer un morceau de code dans un matériau – une fois déclenché, il fait ce que vous avez programmé pour le faire. »

Matériaux et technologies d’impression 4D

Les matériaux d’impression 4D ne pas sont aussi variés que ceux de la fabrication additive car la technologie en est encore à ses débuts mais il est important de souligner qu’il en existe des différents. Commençons par les polymères à mémoire de forme (PMF) qui sont des matériaux capables de mémoriser une forme macroscopique, de la conserver pendant un certain temps, et de reprendre leur forme d’origine sous l’effet de la chaleur, sans déformation résiduelle quelconque. D’autres stimuli indirects peuvent également provoquer la transformation : un champ magnétique, électrique ou encore une immersion dans de l’eau.

Autre matériau de l’impression 4D, les élastomères à cristaux liquides (LCE en anglais) qui, comme leur nom l’indique, contiennent des cristaux liquides sensibles à la chaleur. En contrôlant leur orientation, on peut programmer la forme souhaitée : sous l’effet ensuite de la température, le matériau va se détendre et se transformer selon le code dicté. Troisième matériau : les hydrogels. Ce sont des chaînes polymères principalement constituées d’eau, particulièrement utilisés dans les procédés de photopolymérisation. Ils intéressent beaucoup le secteur médical de part leur bio-compatibilité.

Certains procédés d’impression 4D utilisent des multi-matériaux : ce sont principalement des composites (bois, carbone, etc.) qui sont ajoutés aux PMF ou aux hydrogels. Le Self-Assembly Lab du MIT a commencé ses recherches en impression 4D à partir d’une machine Connex de Stratasys, basée sur le principe de jet de matières, un processus multi-matériaux. Bien entendu, il existe d’autres matériaux d’impression 4D – comme la céramique par exemple – mais nous avons décidé de n’en retenir que quelque uns.

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Crédits photo : Self-Assembly Lab

Finalement, tout le processus d’impression 4D réside dans le matériau : il faut donc comprendre comment celui-ci réagira à un certain stimulus. Bastien précise « qu’il faut une très bonne science des matériaux pour faciliter l’impression 4D. » Une fois cela bien intégré, on peut recourir à différentes technologies d’impression 3D : stéréolithographie, jet de matière (pour tous les multi-matériaux), dépôt de matière fondue – on travaillera ici avec des polymères. Le plus souvent, l’imprimante utilisée est une machine 3D améliorée capable de prendre en compte notre 4ème dimension. Bastien poursuit : « En fonction du degré de complexité de votre 4ème dimension, cela peut être aussi facile que d’imprimer deux matériaux en parallèle. Cela peut aussi impliquer de chauffer ou refroidir le matériau pendant le processus de fabrication. Il existe de nombreuses méthodes qui impliquent toutes des conditions particulières.« 

Les applications de la technologie

Etant donné qu’il est possible de programmer un matériau intelligent comme on le souhaite, il semblerait que les applications de l’impression 4D soient assez vastes. Imaginez un objet qui puisse prendre n’importe quelle forme : la technologie peut alors impacter le secteur de la construction pour ériger des structures adaptives aux conditions climatiques, des biens de consommation qui s’ajusteraient à la morphologie de chacun, de la médecine, etc. L’une des idées premières de Skylar Tibbits était d’ailleurs d’utiliser l’impression 4D pour fabriquer des canalisations intelligentes : elles changeraient de forme en fonction du volume d’eau qu’elles contiennent mais aussi lorsqu’un phénomène quelconque arriverait sous terre. Cela éviterait de les déterrer et de les changer – un processus chronophage et surtout très coûteux.

L’un des secteurs les plus intéressés par l’impression 4D est sans doute la médecine : elle offrirait la possibilité de créer des dispositifs sur-mesure, intelligents et évolutifs. Par exemple, en imprimant en 4D un implant, on pourrait plus facilement contrôler son état et sa viabilité une fois intégré par le patient. Il en est de même pour toute la médecine régénérative et la fabrication de structures cellulaires ; l’impression 4D permettrait à des cellules de s’adapter à un corps humain en fonction de sa température par exemple. Chloé Devillard qui prépare actuellement sa thèse chez 3d.FAB, nous expliquait : « Nous travaillons avec l’impression 4D pour des applications en ingénierie tissulaire et médecine régénérative dans le but de réparer le vivant. Je l’utilise notamment pour reproduire un vaisseau sanguin qui se rapproche le plus de la réalité au niveau physiologique, fonctionnel et mécanique. Nous pouvons créer des constructions les plus ressemblantes possibles du vivant. »

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3d.Fab travaille actuellement sur des projets d’impression 4D pour créer des vaisseaux sanguins (crédits photo : 3d.Fab)

Enfin, imaginez un médicament imprimé en 4D qui pourrait libérer sa substance en fonction de la température du corps du patient. C’est d’ailleurs l’un des travaux de recherche du Dr. Fang au MIT qui explique : « Nous souhaitons utiliser la température corporelle comme déclencheur. Si nous pouvons concevoir des polymères correctement, nous pourrons peut-être créer un dispositif d’administration de médicament qui ne libérera le médicament que si de la fièvre apparaît. »

Le secteur des transports au sens large s’intéresse également à l’impression 4D, que ce soit l’automobile ou le marché aéronautique. On vous avait présenté le matériau gonflable développé par BMW et le MIT, changeant de forme et de taille sous l’effet d’impulsions d’air. Un matériau intéressant pour concevoir de futurs pneus par exemple, capables de s’auto-réparer en cas de crevaison ou de s’adapter aux conditions climatiques les plus extrêmes. Au delà des voitures, on peut aussi parler des avions : un composant imprimé en 4D pourrait réagir à la pression atmosphérique ou aux changements de température, et donc modifier sa fonction – Airbus travaillerait actuellement sur cette question. Le géant de l’aéronautique explique que ces composants pourraient remplacer des charnières, des actionneurs hydrauliques et donc alléger considérablement les appareils.

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Imaginez un tabouret qui se plie et se déplie tout seul (crédits photo : Self-Assembly Lab)

Finalement, l’impression 4D est plus qu’intéressante pour toutes les applications qui nécessitent un fort degré de personnalisation : puisqu’il est possible de programmer le matériau selon nos besoins, l’objet imprimé viendra forcément y répondre à un moment donné. Un point capital pour tous les biens de consommation – imaginez des vêtements qui prennent la forme réelle de notre corps, des meubles qui se plient et de déplient pour gagner de la place, etc.

Le futur de l’impression 4D

Bien que pleine de promesses, la technologie laisse apparaître encore de nombreuses limites : quelle est la résistance réelle des matériaux intelligents dans le temps ? Pourront-ils encore remplir leurs fonctions quelques années ? Beaucoup d’entreprises testent encore ce procédé de fabrication et peu ont dévoilé leurs résultats. Bastien E. Rapp nous a expliqué que l’impression 4D impliquait un certain nombre de connaissances très techniques et pointilleuses qui ne permettrait pas de la démocratiser autant que la fabrication additive. « Comme il s’agit d’un sujet plutôt complexe, qui nécessite un très bon contrôle des matériaux et de la fabrication, elle risque de ne pas devenir aussi largement disponible et accessible que l’impression 3D elle-même. Mais cela aura un impact significatif sur l’industrie. » Il faudra donc encore quelques années avant de voir cette technologie inonder le marché.

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BMW a imprimé en 4D un matériau silicone capable de se gonfler seul : est-ce le futur de la pneumatique ?

Dans tous les cas, on ne manquera pas de vous tenir informés des dernières innovations du secteur !

Que pensez-vous de l’impression 4D ? Selon vous, quel sera son impact sur le secteur manufacturier ? N’hésitez pas à partager votre avis dans les commentaires de l’article ou avec les membres du forum 3Dnatives.

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