BIENVENUE DANS LE FUTUR DE LA 3D... 4D !

Et si les tubes pouvaient se réparer automatiquement sans se fissurer ni se casser ?

Et si les vêtements pouvaient changer en fonction de la météo ou de l'activité du porteur ?

Des meubles qui s'assemblent... des prothèses qui s'adaptent à la croissance...

Mais la vérité est que ce ne sont là que quelques-unes des applications possibles envisagées par la technologie d'impression 4D.

L'impression 3D existe depuis près de 30 ans et alors qu'elle est encore en développement et dans un processus de recherche accéléré et approfondi, de nouveaux matériaux et applications et de nouvelles technologies sont découvertes... comme la 4D.

Au MIT Self-Assembly Lab, ce projet d'impression 4D grandit et se développe. Son objectif est de combiner technologie et 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.

Pendant ce temps, au Wyss Institute, Harvard University, il a été possible d'imprimer un objet qui, lorsqu'il entre en contact avec l'eau, change de forme, entraînant une sorte de fleurissement de ses extrémités – époustouflant !! Dans cet institut, ils ont développé un matériau à base de structures naturelles, comme les plantes, qui a été injecté avec des fibres cellulosiques lors du processus d'impression.

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

Inspirée du principe de l'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 tel que la température, la lumière ou d'autres stimuli environnementaux, c'est-à-dire l'obtention d'un objet grâce à 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 la technologie 3D et 4D : la capacité des objets à se transformer dans le temps sans intervention humaine.

Les matériaux utilisés

La clé de l'impression 4D n'est pas tant le processus, basé sur les imprimantes 3D populaires, 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 intéressants.

SMP (polymères à mémoire de forme)

Des polymères qui restent rigides à température ambiante et qui offrent des propriétés particulières lorsqu'ils atteignent le point de transition vitreuse. Un exemple est le TPU SMP de Convena : un filament 4D avec une composition à base de TPU (polyuréthane thermoplastique) qui permet un post-traitement pour modifier la forme des pièces imprimées en 3D. Grâce à sa composition spéciale et à la technologie Shape Memory Polymer, les pièces imprimées avec ce filament peuvent être modifiées manuellement, leur permettant 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 du filament SMP TPU consiste à placer la pièce imprimée en 3D dans un récipient avec de l'eau chaude jusqu'à ce qu'elle atteigne sa température de transition vitreuse. À ce stade, la pièce s'assouplit et l'utilisateur peut facilement changer sa forme. Une fois refroidie, la pièce conserve sa forme acquise et reste stable. De plus, les pièces imprimées en 3D avec du filament TPU SMP peuvent retrouver leur forme d'origine en inversant le processus. En d'autres termes, la température de transition vitreuse du matériau est à nouveau atteinte.

LCE (élastomères à cristaux liquides)

Ils contiennent des cristaux liquides sensibles à la chaleur.

En maîtrisant son orientation, la forme souhaitée peut être programmée : sous l'effet de la température, la matière va se détendre et se transformer selon le code dicté.

hydrogel

Chaînes polymères constituées majoritairement d'eau, notamment utilisées dans les procédés de photopolymérisation. Ces derniers sont concentrés dans le secteur médical en raison de leur biocompatibilité.

De plus, 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 à l'hydrogel.

Il en résulte des objets avec des zones dures et mobiles.

ARCHITECTURE DE TRANSFORMATION 4D

applications

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

Construction

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

Médecine

Dans ce cas, l'impression 4D offre la possibilité de créer des dispositifs sur-mesure, intelligents et évolutifs. Par exemple, lors de l'impression d'un implant 4D, son statut et sa viabilité pourraient être plus facilement surveillés une fois qu'il a été 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 en fonction de sa température par exemple. Si on parle de médicaments, il serait possible, par exemple, d'imprimer un appareil qui délivrerait la dose nécessaire, en fonction de la température corporelle du patient.

le transport

Il y a quelques mois, BMW et le MIT présentaient leur matériau gonflable, qui change de forme et de taille sous l'effet des impulsions d'air. Les applications sont très intéressantes, car à l'avenir, nous aurons peut-être des pneus capables de se réparer 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 à la pression atmosphérique ou aux changements de température et ainsi modifier sa fonction. Airbus travaille actuellement sur de tels développements, car ces composants pourraient remplacer les charnières et actionneurs hydrauliques, allégeant considérablement les dispositifs. En outre, il travaille également au développement de matériaux thermo-réactifs pour refroidir les moteurs d'avions.

Raúl Pulido Casillas, un ingénieur espagnol, a créé un tissu intelligent imprimé en 4D pour la NASA. La maille métallique, constituée de pièces d'argent assemblées, 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 confectionner des combinaisons d'astronautes ou recouvrir des engins spatiaux.

Mode

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

Bien qu'encore balbutiante, la technologie 4D va révolutionner la fabrication et la nature des objets pour les années à venir, tout comme l'impression 3D l'a fait en son temps.

MATÉRIAUX PROGRAMMABLES IMPRIMÉS EN 4D