Centre d'apprentissage 3D
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L’impression 4D : une technologie futuriste

Introduction

L’impression 3D existe depuis presque 30 ans maintenant. Pendant que l’industrie de la fabrication additive continue d’innover et de développer de nouvelles imprimantes et de nouveaux matériaux, une autre technologie émerge.

Cette nouvelle technologie c’est l’impression 4D ! Comment ajouter une quatrième dimension à l’impression 3D ? Nous vous avions déjà parlé de comment les objets fabriqués avec cette nouvelle technologie pouvaient changer de forme. Dans ce nouvel article, nous nous intéresserons davantage à la technologie 4D en elle-même. Nous nous intéresserons ensemble à ses potentielles utilisations. 

Qu’est-ce que l’impression 4D ?

L’impression 4D est le processus par lequel un objet imprimé en 3D peut modifier lui-même sa structure et changer de forme avec l’impulsion d’une énergie extérieure comme la température, la lumière ou un d’autres stimuli environnementaux. 

Cette technologie fait partie du projet lancé par le Self-assembly Lab du MIT. L’objectif est de combiner technologie et design pour inventer un matériau programmable et capable de s’auto-assembler. Ce qui serait une vraie révolution pour la construction, la fabrication, l’assemblage de produit et la performance. 

Dans la vidéo ci-dessous, nous voyons une structure plane qui une fois placée dans de l’eau chaude, commence à se transformer lentement et adopter une toute nouvelle forme. Cette vidéo qui est un test du laboratoire d’auto-assemblage du MIT, illustre le fonctionnement de transformation de forme

Impression 4D : Transformation d’un hexaèdre en 2D en un cube en 3D, source : Laboratoire d’auto-assemblage du MIT

Quelle est la différence entre l’impression 3D et l’impression 4D ?

De toute évidence, l’impression 4D a un « D » de plus que l’impression 3D. Qu’est-ce que cela signifie et pourquoi apporte-t-il autant de valeur ajoutée à cette technologie ? L’impression 3D consiste à répéter une structure 2D, couche par couche sur un lit d’impression, du bas vers le haut, couche par couche jusqu’à ce qu’un volume en 3D soit généré. L’impression 4D peut se définir comme de l’impression 3D capable de se transformer au fil du temps. Une quatrième dimension est ajoutée à l’équation : le temps. L’avancée principale de l’impression 4D est la capacité des matériaux à changer de forme au fil du temps.

A 4D-printed gripper grabs an object when the temperature is optimal

Une pince imprimée en 3D qui attrape un objet quand la température est optimale. 

 

Un objet imprimé en 4D est obtenu de la même façon qu’un objet imprimé en 3D. La différence est que la technologie 4D utilise des matériaux de pointe programmables qui ajoute une nouvelle fonctionnalité à l’objet en contact avec de l’eau chaude, de la lumière ou de la chaleur. Voilà pourquoi un objet inerte peut changer de forme tridimensionnelle et de comportement au cours du temps. 

Comment marche l’impression 4D ?

La technologie d’impression 4D utilise les imprimantes 3D du commerce comme les imprimantes 3D Polyjet.  L’agent d’impression est un “matériau intelligent” qui peut être à la fois un hydrogel ou un polymère à mémoire de forme. Grâce à leurs propriétés thermomécaniques entre autres, les matériaux intelligents se différencient des matériaux traditionnels d’impression 3D par leur capacité à changer de forme. 

Les objets imprimés avec la technologie 3D sont souvent caractérisés par leur rigidité. Ce qui signifie que les objets imprimés en 3D vont garder leur forme tridimensionnelle une fois l’impression terminée.

Diagram by Jean-Claude André | Scientific Advisor at INSIS

Diagramme adapté de [F. Momeni et al. / Materials and Design 122 (2017) 42–79] re-dessiné par Jean-Claude André, Scientifique à l’INSIS. 

Les avantages de l’impression 4D

Les changements de taille 

L’avantage le plus évident de l’impression 4D est que, grâce au pliage informatique, les objets plus grands que ce que la capacité des imprimantes permet peuvent être imprimés en une seule partie. Étant donné que les objets imprimés en 4D peuvent changer de forme, rétrécir et se déplier, les objets trop grands pour être imprimé en entier dans leur forme finale peuvent être compressés dans une forme secondaire pour rentrer dans l’imprimante.

Volume reduction by 87% with two folds | Photo by n-e-r-v-o-u-s.com
Réduction de volume de 87 % à l’aide de plis. | Photo by n-e-r-v-o-u-s.com

Nouveaux matériaux = nouvelles propriétés 

Un autre avantage de la technologie d’impression 4D est l’usage de nouveaux matériaux avec de nouvelles propriétés mécaniques. L’impression 4D a le potentiel de révolutionner le monde des matériaux que l’on connait aujourd’hui. Imaginez l’impression 4D appliquée à une grande variété de matériaux intelligents dont nous ne soupçonnons même pas encore  l’existence ! Jusqu’à présent, nous avons vu des tests de polymères à mémoire de forme composés de plusieurs matériaux. Des matériaux comme ceux présentés dans la vidéo ci-dessous « se souviennent » de leur forme, transformant activement leur configuration spatiale au fil du temps en réponse aux stimuli environnementaux. Ce polymère à mémoire de forme adoptera des formes personnalisables, ce qui est très intéressant pour l’industrie de la santé. Par exemple, nous pourrions fabriquer des appareils qui changeront de forme et libéreront des médicaments lorsque le patient en aura de nouveau besoin.

Les applications potentielles de l’impression 4D

Les vidéos ci-dessus illustrent de manière très simple le processus d’impression 4D. Bien que ces exemples ne présentent pas de cas très complexes, nous pouvons déjà sentir le grand potentiel de cette technologie.

1. Un système de tuyauterie auto-réparable

Une application potentielle de l’impression 4D dans le monde réel serait de créer des tuyaux d’un système de plomberie capables de changer en temps réel leur diamètre en réponse au débit et à la demande en eau. Ces tuyaux pourraient aussi potentiellement se réparer eux-mêmes sans intervention humaine s’ils se fissurent ou se cassent. Et ce en raison de leur capacité à changer de structure tridimensionnelle en réponse aux changements de leur environnement.

2. Des meubles qui se montent eux-mêmes

Étant donné que l’impression de meubles en 3D est limitée par la taille de l’imprimante, l’impression 4D pourrait permettre d’imprimer simplement une planche plate qui se changera en une chaise si on l’expose simplement à de l’eau ou de la lumière. Imaginez ce cas comme une version plus complexe de la vidéo ci-dessous. Bois programmable, source : Laboratoire d’auto-assemblage du MIT

3. Des impressions 4D XL en conditions extrêmes

Impression 4D : D’une surface à une onde sinusoïdale, source : Laboratoire d’auto-assemblage du MIT L’impression 4D peut être encore plus utile dans les projets à grande échelle. Dans des environnements extrêmes comme l’espace, les applications sont très prometteuses. Dans l’espace, actuellement, l’impression 3D de bâtiments pose des problèmes liés au coût, à l’efficacité et à la consommation d’énergie. Ainsi, au lieu d’utiliser des matériaux rigides imprimés en 3D, on pourrait utiliser des matériaux imprimés en 4D et profiter de leur forme modulable. Ils pourraient fournir des solutions pour construire des ponts, des abris ou tout autre type d’installation de grande envergure. Ces installations se construiraient elles-mêmes ou pourraient se réparer en cas de dommages météorologiques.

4. Des applications dans l’industrie médicale

Imaginez maintenant que l’impression 4D soit appliquée à très petite échelle, dans des secteurs comme celui de la médecine. Imprimer en 4D des protéines pourrait être une excellente utilisation de cette technologie. La vidéo suivante présente un exemple de protéine capable de se reconfigurer elle-même. Les chercheurs travaillent en ce moment à la création d’un matériau capable de reconfigurer les protéines. Impression 4D d’une protéine capable de se changer sa configuration spatiale, source : Laboratoire d’auto-assemblage du MIT Une autre application de l’impression 4D dans le domaine médical pourrait être la création d’endoprothèse. Ces prothèses intelligentes, une fois injectées dans le corps humain, se déplaceraient jusqu’à atteindre leur destination, puis se déplieraient.

5. Des applications dans l’industrie de la mode

L’impression 4D pourrait également changer le visage de la mode. Le laboratoire d’auto-assemblage du MIT étudie les applications potentielles des technologies 4D. L’une des idées en développement est le changement des vêtements en fonction de la météo ou de l’activité réalisée. Par exemple, vos chaussures pourraient changer de forme quand vous commencez à courir pour vous offrir un meilleur confort et un meilleur amortissement.

Recherches en cours sur l'impression 4D

1. Le laboratoire d’auto-assemblage du MIT

Le MIT est un pionnier de l’innovation en matière d’impression 3D et ils ne vont certainement pas s’arrêter là. Le professeur adjoint Skylar Tibbits est le fondateur du laboratoire. Depuis 2014, Tibbits travaille avec Autodesk sur l’étude des structures imprimées en 3D et sur leur comportement post-impression. Un de leurs projets concerne  les vêtements ajustables mentionnés plus haut.

2. L’Institut Wyss pour l’ingénierie d’inspiration biologique de l’Université de Harvard 

Un groupe de recherche a été créé à l’Institut Wyss pour une ingénierie d’inspiration biologique à Harvard pour mettre au point un matériau innovant appelé hydrogel. La matière s’inspire des fleurs qui changent de forme en fonction de l’environnement (température, ensoleillement, humidité, etc.). Elle est composée de fibrilles de cellulose de bois. Le but est de reproduire artificiellement les microstructures qui donnent aux fleurs la possibilité de changer de forme. Et l’hydrogel pourrait avoir cette capacité. Voilà un exemple scientifique qui illustre à quel point l’impression 4D est révolutionnaire.

3. L’Université de Wollongong

Une équipe de scientifiques de l’Université de Wollongong en Australie a développé la toute première vanne d’eau imprimée en 4D. C’est un énorme succès car la vanne se ferme lorsque de l’eau chaude est versée dessus et s’élargit lorsque la température baisse. Cela est rendu possible par l’encre hydrogel qui réagit rapidement aux variations de températures.

4. L’Université de Technologie et de Design de Singapour

Des chercheurs de l’Université de Technologie et de Design de Singapour se sont attaqués à un autre problème de l’impression 4D : sa commercialisation. La difficile production des matériaux rend la commercialisation de l’impression 4D compliquée. Cette équipe a donc décidé d’utiliser une imprimante 3D multi-matériaux disponible dans le commerce et de combiner 5 étapes de préparation des matériaux en une seule ! Ils ont présenté les résultats de leur travail en imprimant en 4D une étoile plate qui se plie et se transforme au contact de l’eau chaude en objets ressemblants à des fleurs.

Pouvez-vous vous lancer dès maintenant dans l'impression 4D ?

Toutes ces possibilités d’utilisation sont inspirantes et prometteuses pour l’avenir ! Toutes les recherches menées jusqu’à présent sur les propriétés des matériaux d’impression 3D ont beaucoup à offrir à l’industrie de la fabrication additive et contribuent certainement à sa croissance.

Même si nous sommes au tout début de la technologie de l’impression 4D, nous avons hâte de voir comment elle influencera l’avenir de la fabrication additive, tout comme l’impression 3D a révolutionné la fabrication traditionnelle.

L’impression 4D a encore besoin de temps pour être complètement fonctionnelle et elle n’est pas accessible à tout le monde. L’impression 3D, au contraire, est très accessible et vous pouvez l’utiliser depuis chez vous ! Avec un service d’impression 3D en ligne comme le nôtre, vous pouvez fabriquer vos pièces 3D avec la meilleure qualité et en un temps record. Découvrez nos matériaux et choisissez le meilleur pour fabriquer vos pièces !

Si vous avez des questions liées à l’impression 3D, n’hésitez pas à contacter nos experts en impression 3D. Ils sont là pour vous aider.

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