L'IMPRESSION 4D UNE (R)EVOLUTION DANS L'INDUSTRIE?
Des objets susceptibles de changer de forme apres impression
De nombreuses entreprises investissent dans l'impression 3D, en complément de leurs activités existantes. La fabrication additive permet désormais de réaliser des formes complexes. Mais qu'en est-il quand on sait que depuis, on est capable de réaliser des objets programmés, qui sous l'influence de certains facteurs externes peuvent changer de forme? Dans l'ombre de l'adoption des imprimantes 3D dans l'industrie, les imprimantes 4D continuent à se développer. De vieux trucs sous une nouvelle présentation ou peut-on réellement parler d'une (r)évolution? Un petit mot d'explication et le point de la situation.
IMPRESSION 4D
L'impression 4D est une méthode qui utilise les techniques d'impression conventionnelles 3D pour imprimer des objets programmables. En utilisant des matériaux qui, sous l'influence de circonstances externes, comme la lumière ou la chaleur et/ou la composition des deux, peuvent changer, ces objets deviennent actifs. La forme finale de l'objet dépend souvent fortement de la forme imprimée. Les matériaux utilisés pour l'impression 4D sont composés de polymères influents. Ceux-ci réagissent dans une certaine mesure à des stimuli extérieurs et prennent ainsi une forme définitive. Pensez par exemple aux hydrogels, dont la dilatation et la forme finale du composant imprimé dépendent du degré d'absorption de l'eau.
STIMULI EXTERNES
La chaleur
Des chercheurs de la Georgia Institute of Technology aux Etats-Unis, de l'Université Technology and Design de Singapour (SUTD) et de l'Université Xi'an Jiaotong en Chine ont développé une technique d'impression 4D pour réaliser des objets programmables qui prennent une autre forme sous l'influence de la chaleur. Pour cela, ils impriment un certain nombre de couches en polymère à mémoire de forme et élastomère les unes sur les autres, et chaque forme va réagir différemment à la chaleur. A température ambiante, les matériaux sont des composites avec des éléments tant rigides que souples. Ceux-ci sont programmés de telle manière qu'ils maintiennent assez de pression dans le matériel. L'équipe de chercheurs a utilisé des simulations informatiques pour développer les composants, où le matériel rigide a une forme et une taille déterminées qui doivent empêcher que après impression en 3D la tension interne programmée du matériel souple ne soit libérée. En le réchauffant, on empêche réellement la rigidité. Ainsi, le matériel souple libère sa tension et l'objet imprimé prend une autre forme. En guise de preuve, les hommes scientifiques ont produit plusieurs objets qui peuvent rapidement être pliés ou ouverts quand on les plonge dans de l'eau chaude, comme une fleur qui ouvre ses pétales ou une grille que l'on peut déplier
jusqu'à huit fois la taille d'origine.
Appui électronique
Impressionnant, mais si les objets ont besoin d'être réchauffés et/ou d'être plongés dans de l'eau comme stimuli externes, les possibilités d'application restent trop limitées dans la pratique. C'est ce que trouvèrent également les chercheurs de l'Université de la Sarre en Allemagne qui ont développé le Hotflex. Une structure composite imprimable qui peut plier et dont les éléments peuvent être déformés après l'impression d'une manière parfaitement et complètement dirigée électroniquement. Le composite est composé de plusieurs couches parallèles. Un microcontrôleur active une couche chauffante au milieu de la structure, qui déforme l'objet et le rend malléable. L'augmentation de la température se fait au moyen d'une résistance électrique imprimée en spirale. De plus, le matériel contient une couche de plastique biodégradable (PCL), que l'on peut déformer, dès qu'il atteint une température de 60 °C, et qui en plus conserve la forme prise après refroidissement. La couche extérieure est dans un plastique plus ou moins souple (ABS, PLA ou TPE) qui assure la stabilité et la protection. Selon les chercheurs, l'Hotflex peut être utilisé pour de nombreux objets statiques imprimés déformables, mais aussi pour des capteurs et écrans tactiles. Pour démontrer cela, ils ont réalisé un bracelet réglable, une boîte à bijoux avec senseurs et une souris d'ordinateur ergonomique.
Polymérisation vivante et lumière led bleue
Le Massachusetts Institute of Technology (MIT) des Etats-Unis a entre-temps développé une technique qui permet d'intervenir dans la polymérisation d'un objet imprimé pour pouvoir ainsi en changer la forme, la taille ou la couleur même après impression. C'est ce que l'on appelle le 'principe de polymérisation vivante'. Les polymères restent actifs et peuvent réagir à des stimuli externes sous forme de lumière LED bleue. Les polymères contiennent des groupes chimiques trithio-carbonates (TTC) sur lesquels agissent de nouveaux monomères sous l'influence de l'exposition aux catalyseurs de cette lumière. Concrètement, cela assure un prolongement des chaînes moléculaires qui fait que la structure s'étire comme un accordéon. Du fait que les monomères sont répartis de manière égale dans la structure, les propriétés chimiques et mécaniques sont modifiées, ce qui fait que l'objet bouge. Les chercheurs ont réussi à pouvoir modifier la rigidité d'un objet, tout comme ses propriétés hydrophobes. En utilisant un monomère sensible à la chaleur, ils ont pu faire gonfler ou rétrécir l'objet. Dans la pratique, cette technique est encore très complexe. Il faut, par exemple, que la catalyse photoredox ait lieu dans un environnement sans oxygène, ce qui n'est possible qu'en laboratoire. Les hommes scientifiques sont à la recherche d'autres catalyseurs qui pourraient être utilisés dans la pratique. Le but de telles recherches est d'arriver à la production de prototypes que l'on pourrait modifier sans devoir les réimprimer à nouveau.
DANS LA PRATIQUE
Les possibilités de l'impression 4D sont infinies et les premières applications pratiques sont depuis présentes sur le marché. Celles-ci sont surtout orientées sur des applications spéciales et personnalisées, comme des structures dans l'espace et des stents spécifiques pour certains patients. Dans les secteurs de l'industrie aérienne et médicale, on adapte régulièrement des matériaux influençables à mémoire. Pourtant, l'impression 4D pourrait aussi ajouter des fonctionnalités à des produits dans l'environnement industriel. Prenons par exemple l'empilement plat ou enroulé d'un objet pour ensuite l'ouvrir afin de pouvoir l'utiliser. Ou des actionneurs intelligents, des structures intelligentes et des éléments à assembler soi-même dans un environnement de production. Chaque produit qui est aujourd'hui réalisé de manière conventionnelle, pourra faire partie de la première vague des applications futures. L'impression 4D résonne comme une nouvelle ère de produits intelligents qui auront une application sur chaque marché et dans chaque secteur. Pour de plus grandes applications dans le secteur industriel, il faudra encore plus de qualification et vérification. L'adoption de l'impression 3D comme procédé de production est encore en pleine évolution et le pas vers l'impression 4D avec de nombreuses sortes de matériaux pourrait encore bien se faire un peu attendre. Ces développements sont principalement axés sur l'économie.
DEFIS ET DIFFICULTES
Un des plus grands défis en matière d'impression 4D après la phase hype est la capacité de fournir des produits et des constructions fiables. Souvent, les structures sont composées de matériaux flexibles qui subissent de grandes déformations. Les objets orientés sur la fonctionnalité et les matériaux déformables, en combinaison avec des simulations prévisibles, basés sur l'intelligence, seront d'une importance cruciale pour le développement de nouveaux matériaux, pour déterminer la stratégie d'impression et pour prédire les formes finales. De plus, l'usure et la durabilité de ces composants devront encore davantage être étudiées, surtout s'ils doivent être utilisés dans des composants fonctionnels critiques.
