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

Jul 29, 2023

L'impression 4D est le processus de création d'objets imprimés en 3D qui peuvent se transformer au fil du temps en fonction de stimuli spécifiques, comme l'exposition à l'air, à l'eau ou à la chaleur.

L'impression 4D est un processus dans lequel des objets imprimés en 3D sont programmés pour se transformer de manière autonome au fil du temps en réponse à des stimuli environnementaux, tels que la chaleur ou la lumière.

Pensez à des meubles autonomes, à monter soi-même, livrés à plat ; des bâtiments qui se construisent eux-mêmes ; systèmes de canalisations souterraines régénératives ; organes fonctionnels prêts à imprimer.

Ou peut-être, lors d'une curieuse recherche sur Google, avez-vous vu un textile incurvé en forme d'onde sinusoïdale se courber en quelque chose ressemblant à une chaise longue de l'époque brutaliste ou à la miniature de la Tour Eiffel d'un maquillage à la gélatine devenu flasque, récupérant sa forme lorsqu'il est exposé à la chaleur.

Quoi qu'il en soit, ces puissants objets de morphing sont les rendus de l'impression 4D, qui introduit des propriétés d'auto-activation dans le processus d'impression 3D.

L'impression 4D crée une matière auto-assemblée et programmable conçue pour se transformer temporellement, fabriquant une sorte d'origami actif. Le terme 4D ou quatrième dimension représente essentiellement le temps et détaille l'effet du temps sur l'objet imprimé.

"Avec l'impression 4D, les objets peuvent être imprimés avec des fonctionnalités supplémentaires qui leur permettent de changer de forme ou de fonction au fil du temps", a déclaré Xinyi Xiao, professeur adjoint d'ingénierie mécanique et de fabrication à l'Université de Miami. "Cela pourrait être utilisé pour créer des objets capables de s'adapter à leur environnement ou même de s'auto-réparer."

Dans les projets d'impression 4D, les rendus imprimés en 3D sont essentiellement conçus pour être dépendants du temps. Une fois entièrement fabriqués, ces rendus peuvent se transformer en réponse aux stimuli environnementaux avec lesquels ils interagissent.

Les matériaux intelligents et changeants de forme qui composent les articles imprimés en 4D réagissent à un catalyseur - comme la chaleur, l'eau, la lumière, le vent ou l'électricité - en fonction d'un ensemble d'instructions écrites dans leur codage géométrique. Ils peuvent s'allonger, se plier, se froisser, se plier, se tordre ou même se désintégrer une fois activés. Tout, du bois au caoutchouc, peut être stratifié avec des matériaux réactifs aux stimuli. Le but de cette pratique est de découvrir de nouvelles propriétés, et de manipuler des objets sans intervention humaine ou mécanique.

C'est un peu tout le problème. Skylar Tibbits, fondateur et directeur de recherche du laboratoire d'auto-assemblage du Massachusetts Institute of Technology, a décrit l'objectif de l'impression 4D - créer une technologie sans moteur, sans fil et sans puissance - lorsqu'il a inventé le terme pour la première fois lors d'un Ted Talk en 2013.

"Ce que nous essayons vraiment de faire, ce sont des robots sans robots", a déclaré Tibbits à Fast Company. "Nous voulons concevoir des matériaux qui peuvent se transformer lorsqu'ils sont exposés à l'énergie, mais qui ne nécessitent pas nécessairement de circuits imprimés, d'électronique ou d'autres pièces mobiles pour fonctionner."

« L'impression [quadridimensionnelle] a de nombreux domaines d'application influents potentiels », a déclaré Xiao, citant l'électronique médicale, flexible, les robots mous et même les meubles comme cas d'utilisation.

Par exemple, l'encre conductrice peut être utilisée pour construire des appareils électroniques, a-t-elle déclaré. Ce processus, cependant, est limité sur les surfaces planes. En adaptant le comportement de changement de forme disponible en 4D, des composants électroniques plus complexes peuvent être développés.

L'aérospatiale, l'automobile, l'habillement, la construction, l'armée, la santé et la fabrication sont les industries de pointe qui explorent l'espace 4D, selon le média de niche 3Dprint.com.

La véritable merveille de cette technologie réside dans son potentiel d'horizon lointain. Le succès actuel de l'impression d'une simple chaise auto-pliante incite les chercheurs et les passionnés de 4D à imaginer des implants médicaux adaptatifs et des bâtiments auto-construits.

« L'impression [quadridimensionnelle] en est encore à ses débuts », a noté Xiao, dont les efforts de recherche se concentrent actuellement sur le contrôle de la qualité dans la fabrication additive, basée à la fois sur la 3D et la 4D, y compris la maîtrise de la structure et de la conception auto-morphing. "Mais c'est une technologie passionnante qui a le potentiel de changer la façon dont nous fabriquons des objets. Il est impératif de rester créatif pour que les gens puissent réinventer la chaîne de fabrication numérique-physique."

En savoir plus sur l'impression 3DL'avenir de l'impression 3D

Équipés d'imprimantes 3D commerciales, les chercheurs commencent par saisir un matériau intelligent, également appelé métamatériau. Ces textiles, qui possèdent les propriétés transformatrices propres aux objets 4D, sont généralement fabriqués à partir d'hydrogel ou de polymères à mémoire de forme. Les hydrogels réagissent à l'humidité, tandis que les polymères à mémoire de forme ont la capacité de revenir à leur état d'origine après déformation.

"L'exemple le plus simple serait une éponge - un matériau qui change de forme lorsqu'une pression est appliquée", a déclaré Vineeth Venugopal, ingénieur en matériaux au MIT.

Un exemple plus compliqué, a-t-il dit, serait un alliage à mémoire de forme tel que le NiTinol. Fabriqué à partir de titane et de nickel, il peut reprendre sa forme d'origine après toute sorte de déformation.

"Ces matériaux 'animés' pourraient totalement changer notre monde."

Ces traits animés peuvent être attribués à un code géométrique préprogrammé dans le matériau. Selon ses instructions, l'objet imprimé s'activera une fois déclenché par un stimulus défini se produisant naturellement dans son environnement.

"Ce sont ce qu'on appelle des matériaux intelligents", a déclaré Venugopal, "Et, si l'on en croit un récent rapport de la Royal Society [de l'académie scientifique indépendante du Royaume-Uni], ces matériaux" animés "pourraient totalement changer notre monde."

Construire avec des matériaux dotés de propriétés actives, adaptatives et autonomes changerait la donne dans tous les secteurs, note le rapport de la Royal Society, notamment dans des secteurs comme la construction et les transports, ainsi que la médecine et le textile.

L'impression en quatre dimensions "est la prochaine étape de l'impression 3D", a déclaré Xiao, notant que vous ne pouvez pas avoir l'un (4D) sans l'autre (3D).

La différenciation entre les deux commence par établir la base des deux technologies. L'impression tridimensionnelle est une technique de prototypage rapide communément appelée fabrication additive qui dépose de la matière couche par couche pour fabriquer des objets tridimensionnels.

Ce même mécanisme est utilisé en impression 4D pour créer des pièces. La dimension bonus qui distingue l'un de l'autre, cependant, est déterminée dans le codage géométrique d'un objet, comme détaillé ci-dessus, qui prend cette étape supplémentaire avant d'appuyer sur l'impression. Ici, les chercheurs encodent la fonctionnalité souhaitée de l'objet en fonction de ses angles, mesures et dimensions.

Ainsi, tout comme l'impression 3D consiste à ajouter de la profondeur aux limites d'une structure 2D, la 4D consiste à ajouter un facteur supplémentaire à la composition dimensionnelle : le temps. Plus précisément, changer au fil du temps. Alors que les objets imprimés en 4D se transforment en une sorte d'action, les rendus imprimés en 3D conservent leur forme statique et rigide.

"[L'impression en quatre dimensions] est capable de créer des objets qui peuvent changer de forme et de taille après avoir été imprimés, tandis que l'impression 3D est une forme plus basique qui ne peut créer que des objets de forme fixe", a déclaré Xiao. "C'est une création autre que l'application."

En savoir plus sur l'impression 3D Avantages et inconvénients de l'impression 3D

Pas encore commercialisées, les innovations en matière d'impression 4D sont encore cantonnées à la recherche et à l'expérimentation en laboratoire. Toutes les applications en cours, telles qu'un implant mammaire permettant la croissance de tissus sains chez une patiente cancéreuse, sont considérées comme des anomalies hautement expérimentales qui, avant une utilisation généralisée, attendent des tests de fond et l'approbation du gouvernement.

Il est important de noter, cependant, que les bases ont déjà été jetées. Les cas d'utilisation réels de l'impression 3D préfigureront ce qui est à venir - du moins dans un avenir proche - pour l'impression 4D. L'expérimentation immédiate permet aux chercheurs de s'appuyer sur des décennies de preuves de concepts imprimées en 3D, mais en ajoutant une touche d'auto-activation.

Voici un aperçu de certains développements de l'impression 4D.

L'exemple ci-dessus, avec un implant mammaire 4D biodégradable, est un exemple d'ingénierie tissulaire mise au point par des chercheurs du laboratoire national de l'Université Xi'an Jiaotong. Cette application particulière s'est développée depuis, en utilisant des adhésifs cellulaires connus sous le nom d'échafaudages, ou des biomatériaux conçus pour favoriser la croissance cellulaire dans la formation de nouveaux tissus fonctionnels. Dans ce cas, une coque structurelle additive est créée à partir des échafaudages qui sont déclenchés par photothermie pour se déplacer avec le corps et conserver leur forme pendant que les tissus non cancéreux se régénèrent.

Un groupe de chercheurs de l'Université George Washington utilise l'ingénierie tissulaire pour construire des patchs cardiaques, fabriqués à partir d'encre à base de gélatine. Ces bio-pansements peuvent réparer les lésions du muscle cardiaque, aucune colle n'est nécessaire. La structure réticulée est conçue pour s'étirer avec l'expansion et la contraction du cœur battant du patient.

De plus, à partir d'huile de soja renouvelable, un autre groupe basé à l'Université George Washington a développé une résine biocompatible qui change de forme lorsqu'elle interagit avec une source de chaleur, puis revient à sa forme par défaut lorsque la température se stabilise. En fin de compte, les chercheurs pensent que le matériau peut être utilisé pour la croissance des cellules souches à l'aide de la moelle osseuse.

Inspirés des vers parasites, les theragrippers sont des microdispositifs métalliques en forme d'étoile constitués d'un film à changement de forme conçu pour transporter tout type de médicament vers une partie ciblée du corps et le libérer lentement. Ils sont recouverts de cire de paraffine thermosensible qui adhère au tractus intestinal du patient. Une fois intégrés, ils commencent à administrer le médicament une fois qu'il correspond à la température corporelle de l'hôte. Cette technologie, mise au point par des chercheurs de l'Université Johns Hopkins, a la taille d'un grain de poussière et a le potentiel de transporter une dose de n'importe quel type de médicament.

Une autre approche, mise au point par des chercheurs de la Michigan Technological University, utilise une encre magnétique imprimée en 3D infusée de microparticules. Les propriétés magnétiques des microparticules peuvent être manipulées à distance pour éliminer les blocages dans le tractus gastro-intestinal, récupérer des échantillons de tissus et administrer un traitement à un emplacement ciblé chez un patient.

Deux types de stents vasculaires imprimés en 4D (supports tubulaires temporaires, souvent en treillis métallique, cousus dans les vaisseaux pour favoriser la circulation sanguine) sont explorés avec l'application de la mémoire de forme. Un algorithme génétique est codé dans l'objet, qui simule ensuite un vaisseau sanguin sain en élargissant rapidement des voies rétrécies, ont découvert des chercheurs de l'Institut de technologie de Harbin en Chine.

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Les robots mous sont des créations biomimétiques qui échangent du matériel dur contre des matériaux conformes qui ressemblent mieux aux organismes vivants. Leur composition en hydrogel offre une structure flexible qui change de taille et de forme, les rendant plus applicables aux cas d'utilisation nécessitant un toucher plus doux, selon une étude publiée dans la revue scientifique Polymer.

La douceur et la polyvalence offertes par ces prototypes 4D apportent de la valeur à des domaines tels que les domaines médical et bionique.

Deux chercheurs de l'Université Rice affirment qu'ils ne sont pas loin de l'impression 4D d'implants biomédicaux à changement de forme. Avec l'aide d'une encre polymère à cristaux liquides, leur approche dissocie le processus d'impression de la transformation autonome de l'objet afin d'optimiser le contrôle de la mise en forme et d'imprimer des structures plus complexes, comme le rapporte la publication de technologie de la santé Tectales.

Les laboratoires d'auto-assemblage du MIT ont développé un prototype d'entrée d'air de moteur à réaction de morphing en fibre de carbone programmable. Contrairement à ses homologues mécaniques, ce modèle est léger, minimise les mécanismes sujets aux accidents et fonctionne indépendamment de l'électronique, des capteurs ou des actionneurs, selon les chercheurs de l'Air University.

Les micro-drones auto-assemblés sont considérés comme la prochaine évolution des quadricoptères imprimés en 3D personnalisables à part entière actuellement utilisés. D'autres applications incluent les ponts auto-réparables (en cas de formation de fissures) et les abris auto-assemblés.

L'un des projets en cours du Self Assembly Lab du MIT - la confection textile active - s'est essayé à l'expérimentation de fibres intelligentes qui réparent des vêtements auto-ajustables. Ces vêtements sont capables de s'adapter à la forme et au mouvement d'un corps en réponse à la chaleur et à l'humidité.

Spécifiques aux applications militantes, les tests en cours incluent un camouflage de type caméléon qui reflète son motif de couleur pour correspondre à son environnement lorsqu'il se déplace en temps réel, ainsi que des uniformes blindés dans des matériaux intelligents qui protègent les soldats contre les gaz toxiques.

Imaginez un entrepôt rempli de cartons. Maintenant, remplacez le carton standard par un matériau intelligent imprégné de polymères à mémoire de forme et activés par la lumière codés pour se plier et s'auto-assembler. Difficile à imaginer ? Eh bien, c'est probablement parce qu'il s'agit d'un tout nouveau niveau d'automatisation en cours de création.

Une étude de faisabilité réalisée en 2015 par le Georgia Institute of Technology l'a démontré en utilisant des polymères à mémoire de forme thermosensibles. La technique a permis une procédure de fabrication avec "des promesses de faire progresser les applications d'ingénierie immédiates pour une production à faible coût, rapide et de masse", selon l'étude.

Les utilisations potentielles de cette technologie comprennent les cartons de lait, les sacs à provisions et les airbags de voiture.

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L'architecte spatial de la NASA Raúl Pulido Casillas a imprimé en 4D un tissu intelligent en maille métallique argentée avec régulation thermique intégrée dans les combinaisons d'astronautes et les revêtements des engins spatiaux. Les blocs miroirs réfléchissants réfléchissent la chaleur à l'extérieur tout en isolant à l'intérieur.

Une correspondance écrite dans les étoiles, l'impression 4D offre des solutions de fabrication peu coûteuses et durables pour les projets aérospatiaux qui peuvent être programmées pour résister à des conditions sévères ou même s'adapter et se modifier à un environnement changeant. L'étude Polymer a révélé que les matériaux 4D thermoplastiques légers utilisés pour réparer les satellites, les outils ou les pièces d'engins spatiaux peuvent réduire la masse d'une pièce fabriquée traditionnellement jusqu'à 80 %.

En plus de développer des matériaux réactifs à la chaleur pour mieux thermoréguler ses moteurs, la société aérospatiale européenne Airbus cherche à remplacer ses charnières et ses actionneurs hydrauliques par des composants imprimés en 4D de type Lego programmés avec des métamatériaux réactifs. Cela allège considérablement la charge de chaque véhicule tout en ajoutant des fonctionnalités.