Qu’est-ce que l’impression 4D et en quoi diffère-t-elle de l’impression 3D ?

Crédit image : Made360/.com

Les scientifiques se tournent désormais vers la quatrième dimension pour créer une nouvelle génération de matériaux intelligents imprimés capables de changer de forme.

Impression 3D vs impression 4D

L’impression tridimensionnelle, également connue sous le nom de fabrication additive, prend un plan numérique et le transforme en un objet physique en utilisant la conception assistée par ordinateur (CAO).

Une structure 2D répétitive est construite, couche par couche, de bas en haut jusqu’à ce qu’une construction 3D soit complète. L’objet fini est caractérisé par sa rigidité et son incapacité à changer de forme, un peu comme n’importe quelle pièce typique en métal ou en plastique.

Le processus d’impression 4D est essentiellement le même – il utilise les mêmes imprimantes 3D, et l’ordinateur exécute le même programme pour déposer le matériau en couches successives jusqu’à ce qu’une structure 3D soit formée.

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Cependant, l’impression 4D ajoute une nouvelle dimension, où la structure peut changer de forme au fil du temps. Elle nécessite des matériaux uniques et des conceptions personnalisées à intégrer dans le programme pour inciter l’impression 3D à changer de forme lorsqu’elle est déclenchée par un stimulus spécifique, tel que la chaleur, l’eau ou la lumière.

Cet ingrédient programmable – un hydrogel ou un polymère à mémoire de forme – est capable de modifier sa forme physique ou ses propriétés thermomécaniques de manière programmable sur la base d’une entrée utilisateur ou d’une détection autonome.

Les hydrogels peuvent absorber de grandes quantités d’eau et peuvent être programmés pour rétrécir ou se dilater en fonction des changements de l’environnement externe. Les polymères à mémoire de forme peuvent revenir à leur forme initiale à partir d’une forme déformée lorsqu’un stimulus est appliqué.

Alors que l’impression 3D contient les instructions pour imprimer successivement des couches de matériau, l’impression 4D ajoute un code géométrique précis au processus basé sur les angles et les dimensions de la forme souhaitée. Elle donne à la forme une mémoire et des instructions sur la façon de se déplacer ou de s’adapter dans certaines conditions environnementales.

Recherche sur les formes imprimées en 4D

De nombreuses institutions et entreprises effectuent actuellement des recherches sur les formes imprimées en 4D et leurs applications possibles.

Le Self-assembly Lab du MIT abrite un projet combinant technologie et design pour inventer des technologies d’auto-assemblage et de matériaux programmables afin de réimaginer la construction, la fabrication, l’assemblage de produits et la performance.

Un développement voit une structure imprimée à plat se plier lentement en une autre conformation lorsqu’elle est placée dans de l’eau chaude. Cela pourrait permettre d’imprimer des structures beaucoup plus grandes à une échelle plus petite pour les étendre ou les déplier à un stade ultérieur.

Le laboratoire a fait des recherches sur le bois programmable, qui pourrait être mis à l’échelle pour des meubles à auto-assemblage. Imaginez une planche plate imprimée en 4D qui se recroqueville en une chaise en ajoutant de l’eau ou de la lumière.

Crédit vidéo : Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo

Le fondateur du laboratoire, Skylar Tibbits, pense que la technologie a un grand potentiel dans de nombreux domaines, y compris l’industrie de la mode. Il envisage des baskets qui changent leur ajustement sur vos pieds en fonction de ce que vous faites, et des vêtements qui peuvent modifier leur composition en fonction de la météo.

Cependant, il est plus probable que vous croisiez l’impression 4D sous la forme d’implants médicaux ou de systèmes mécaniques qui changent de configuration dans différentes conditions environnementales.

Des chercheurs de l’université de Wollongong en Australie ont mis au point une vanne d’eau imprimée en 4D qui se ferme lorsqu’elle est exposée à de l’eau chaude, et s’ouvre à nouveau une fois la température refroidie. Elle utilise une encre hydrogel qui réagit rapidement à la chaleur.

L’impression 4D pourrait être utilisée en biotechnologie ou en médecine. Par exemple, des stents imprimés en 4D pourraient être placés dans les vaisseaux sanguins et se dilater lorsqu’ils atteignent la bonne zone, ajoutant un soutien supplémentaire. Elles pourraient également être utilisées dans des capsules de médicaments qui changent de forme pour libérer le médicament une fois arrivé à destination.

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Des chercheurs de l’Université George Washington ont mis au point un type de résine liquide photo-durcissable imprimable en 4D à partir d’un composé d’acrylate époxydé d’huile de soja renouvelable. Cela pourrait être utilisé comme échafaudage pour la croissance des cellules souches de la moelle osseuse.

D’autres applications médicales pourraient inclure des protéines auto-reconfigurantes ou des protéines auto-pliantes – un autre projet du Self-assembly Lab du MIT.

Des utilisations supplémentaires incluent des tuyaux auto-réparateurs qui modifient leur diamètre en réponse à la demande d’eau et au débit, et guérissent les fissures ou les cassures en eux-mêmes. De tels matériaux seraient avantageux dans des environnements extrêmes comme l’espace, car les formes transformables des matériaux imprimés en 4D permettraient de construire des ponts et des abris, ou la possibilité de s’auto-réparer lorsqu’ils sont endommagés par le temps.

L’architecture pourrait également en bénéficier, car les façades adaptatives ou les toits qui s’ouvrent/se ferment automatiquement et qui sont activés par le temps font partie des applications futures.

L’avenir de l’impression 4D

La technologie d’impression 4D est encore très peu avancée en termes de recherche et de développement.

À l’heure actuelle, les seuls endroits susceptibles d’accueillir des formes imprimées en 4D sont les laboratoires et les installations de prototypage, ainsi que certaines expositions architecturales et installations artistiques.

L’avenir semble prometteur et, comme pour l’impression 3D, la liste des applications possibles est énorme. L’utilisation de ces matériaux intelligents pourrait révolutionner le monde des matériaux tel que nous le connaissons.

Références et lectures complémentaires

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Citations

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