La science-fiction a libéré l’imagination humaine, donnant naissance à des robots imaginaires dotés de super-capacités, susceptibles de changer d’apparence, de forme, de dureté, d’état (de fluide à pâteux), de nature (organique, métallique)… De quoi faire rêver tout scientifique intéressé par la matière « intelligente » ou plus simplement active !
Mais comment atteindre cet objectif de création d’une entité possédant toutes ces qualités ? L’évolution des stratégies de production et le développement des matériaux et des techniques de fabrication ont toujours influencé la manière dont sont conçus les produits et objets physiques. C’est le cas de la fabrication additive (FA), qui reconsidère les pratiques de conception traditionnelles orientées vers la fabrication soustractive et formative en ouvrant la voie à des pièces complexes en termes de fonctionnalités, de matériaux, de structures et de formes.
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont ouvert la voie à l’intégration de matériaux intelligents ou actifs, c’est-à-dire capables de changer de forme, de fonctionnalité et de propriété une fois stimulés (fig. 1). L’impression de matériaux intelligents conduit les domaines de recherche et les communautés scientifiques connexes vers un nouveau paradigme de recherche interdisciplinaire et convergent, l’impression 4D.
Florent Robert Née en 2013 au Massachusetts institute of technology et à l’université du Colorado à Boulder, l’impression 4D intéresse les chercheurs dans des domaines tels que la chimie, les sciences appliquées, la physique, la science des matériaux et la conception mécanique. Cependant, l’enjeu majeur consiste à trouver la synergie optimale, qui intègre de nombreux paramètres : procédés 3D, matériaux et multimatériaux avec leur résolution spatiale, modes de stimulation énergétique, répartition spatiotemporelle des stimulations et leurs amplitudes…
Pour atteindre la maturité industrielle, les chercheurs en chimie des matériaux, procédés et modélisateurs doivent s’aligner sur les besoins des utilisateurs finaux et sur les techniques de conception existantes. Il est urgent de porter ces avancées à l’attention des ingénieurs concepteurs au sein des bureaux d’études pour aborder l’impression 4D, comme cela a été fait pour intégrer les problématiques de fabrication, d’assemblage et de désassemblage, de maintenance… Si l’impression 4D atteint de tels niveaux d’expertise et d’opérationnalité, la prochaine génération de produits et de dispositifs intelligents sera en mesure de satisfaire les besoins industriels et du marché.
1. Des matériaux intelligents à redécouvrir
Au cours des dernières décennies, la science des matériaux a déployé des efforts considérables pour mettre au point des matériaux qui imitent la nature en termes de comportement et de structure. Les capacités de celle-ci à s’adapter, se transformer, s’auto-organiser et s’auto-réparer méritent d’être intégrées dans les matériaux et les structures issus de l’impression 4D. Des matériaux intelligents, actifs, parfois qualifiés de « muscles artificiels », ont ainsi été développés en parallèle, avec une énergie disponible et adaptée comme déclencheur. Les stimuli peuvent être la lumière, les champs magnétiques et électriques, l’humidité, le pH, la température, l’énergie mécanique ou encore des molécules chimiques, ioniques ou biologiques.
Parmi les matériaux sensibles aux stimuli figurent les polymères à mémoire de forme (PMF) et les alliages à mémoire de forme (AMF), des structures thermomécaniques entraînées pour prendre une ou plusieurs formes temporaires avant de récupérer leur forme permanente. La capacité unidirectionnelle des AMF est due à la transformation de phase entre l’austénite (une phase stable à haute température) et la martensite (une phase stable à basse température). Les AMF doivent être chauffés pour passer de la martensite à l’austénite et ensuite retrouver leur forme initiale. L’effet réversible (bidirectionnel) peut également être réalisé via une étape d’entraînement plus sophistiquée ou via une stimulation par champ magnétique, mais comporte des limitations dans les applications nécessitant une répétabilité. L’alliage nickel-titane, par exemple, présente des effets de mémoire de forme utiles pour le développement de stents vasculaires, mais leur déformation linéaire doit être comprise entre 6 et 8 % pour ne pas devenir permanente.
Pour les PMF, le changement de forme est assuré par une transition de phase induite par la chaleur. Le matériau doit être chauffé au-dessus d’une certaine température (transition vitreuse pour les polymères amorphes ou température de fusion pour les polymères semi-cristallins), puis déformé selon la configuration souhaitée. Ensuite, il est refroidi tout en maintenant la déformation. Le retour à l’état initial se produit en le chauffant de nouveau à la température de transition, ce qui provoque une réorganisation des macromolécules et entraîne une transformation macroscopique.
Le système macromoléculaire des PMF doit être composé de deux réseaux de réticulation distincts pour fonctionner correctement : un réseau stable irréversible (par exemple chimiquement réticulé) et un réseau réversible (physiquement réticulé). Le premier est responsable de la fixation de la forme permanente de l’objet. Il est constitué de liaisons chimiques robustes qui ne se dégradent pas sous l’effet des changements de température, assurant une « mémorisation » de la forme finale du matériau. Le réseau réversible, quant à lui, permet de fixer la forme temporaire. Il est composé de liaisons plus faibles ou réversibles qui se réorganisent lorsque le matériau est chauffé au-delà de sa température de transition, et grâce auxquelles le polymère revient à sa forme permanente. Ce mécanisme PMF est central pour les applications industrielles où des formes temporaires doivent être fixées puis réversiblement transformées en formes permanentes. Les PMF présentent des déformations importantes, de l’ordre de 200 à 400 %.
Dans la catégorie des matériaux couplés électriquement, les matériaux céramiques piézoélectriques sont ceux qui ont été développés en premier. Bien qu’ils génèrent de grandes forces, ils ne se déforment que de manière infime. Leurs applications concernent des niches spécifiques aux échelles nano et macroscopiques. Pour surmonter cette limitation, les polymères électroactifs (PEA) – qui changent de forme, y compris de volume, lorsqu’ils sont stimulés par un champ électrique – suscitent un énorme intérêt car ils peuvent se déformer jusqu’à 380 % tout en conservant des forces significatives, ce qui a conduit au développement massif de muscles artificiels réversibles. On distingue deux mécanismes d’activation de ces PEA : électronique (stimulation par un champ électrique ou par contraintes de Maxwell) et ionique (stimulation par la mobilité ou par la diffusion des ions).
À ceci s’ajoutent les élastomères à cristaux liquides (LCE), qui combinent les propriétés des cristaux liquides (appelés mésogènes) et la flexibilité du réseau polymère. Dans les cristaux liquides, les transitions de phases induisent des contraintes internes qui sont généralement équilibrées par l’écoulement libre du matériau. Cependant, lorsqu’ils sont intégrés dans un réseau polymère, l’écoulement est ralenti, ce qui crée des forces statiques internes. Les interactions intra-macromoléculaires entre les mésogènes permettent d’introduire un ordre local au sein du réseau. Les LCE présentent alors deux modes d’organisation moléculaire : la phase nématique, où les mésogènes sont orientés de manière unidimensionnelle, et la phase isotrope, où ils sont disposés de façon aléatoire. Le changement de forme permis par les LCE résulte principalement de la transition entre ces deux phases. Lors du passage de la phase nématique à la phase isotrope dû au changement de température, une réorganisation moléculaire s’opère, aboutissant à une déformation macroscopique observable et réversible (fig. 4).
Florent Robert En raison de leur capacité à gonfler, les hydrogels occupent également une place importante dans la science des matériaux intelligents. Sous les stimuli, les chaînes macromoléculaires se réorganisent, ce qui se traduit par une modification de leur affinité avec l’eau et une séparation de phases. Les chaînes polymères subissent un changement de conformation qui peut favoriser soit les interactions polymère-eau (effet de gonflement), soit les interactions polymère-polymère (effet de rétrécissement). Dans le cas des hydrogels thermosensibles, les plus étudiés dans la littérature, l’affinité avec l’eau est modulée par la modification des chaînes polymères en réponse à la variation de température. Ces hydrogels changent de volume par expulsion ou absorption réversible d’eau.
D’autres hydrogels sensibles au pH sont également élaborés. Ils disposent de réseaux polymères hydrophiles capables d’absorber de grandes quantités d’eau. Leur sensibilité au pH provient de la présence de groupes fonctionnels ionisables dans leur structure, tels que des groupes carboxyle (-COOH) ou amine (-NH2). Ces derniers peuvent se protoner ou se déprotoner en fonction du pH du milieu environnant, occasionnant des modifications des interactions intramoléculaires et, par conséquent, de la structure globale du réseau. Lorsque le pH évolue, l’ionisation des groupes fonctionnels provoque une variation de la densité de charge au sein du réseau polymère. Ce mécanisme permet aux hydrogels de subir des transformations volumétriques réversibles.
Les copolymères à réarrangement moléculaire réversible forment la dernière catégorie de matériaux actifs. Des molécules dynamiques stimulables sont greffées ou imbriquées dans une matrice polymère sous forme de copolymère. Elles peuvent prendre différentes configurations, dont l’isomérisation (cis-trans des azobenzènes ou encore des stilbènes, induisant des modifications de couleur ou de forme) et la dimérisation (association ou dissociation de liaisons chimiques covalentes sous stimulation) provoquant des changements de couleur ou de l’auto-réparation.
Tous ces matériaux peuvent être chargés pour devenir des composites actifs aux performances mécaniques et d’actionnement et à la sensibilité aux stimuli renforcées. Les charges utilisées sont des fibres ou des nano-microparticules inorganiques au sein de la matière ou à sa surface (revêtement).
2 Des procédés de fabrication à hybrider ou à inventer
La fabrication additive est un domaine scientifique et industriel dynamique, complémentaire aux méthodes de fabrication soustractive et formative traditionnelles. Cette technologie comprend sept procédés et techniques pour imprimer couche par couche diverses classes de matériaux (céramiques, métaux, alliages, polymères, composites), suivant différentes échelles (nano à macro). Certains procédés, bien développés, ont été utilisés ou adaptés pour convenir à l’impression 4D, en faisant intervenir des matériaux actifs. Ce sont principalement ceux à extrusion de matière, à projection de matière, à photopolymérisation et à fusion sur lit de poudre (fig. 3).
Florent Robert L’engouement pour ces techniques AMF est principalement dû aux capacités des machines. Elles doivent être compatibles avec la plupart des matériaux actifs (encre, résine, granulé, poudre ou filament), quelle que soit leur forme, s’adapter aux exigences de déposition et de polymérisation des matériaux (vitesse d’extrusion, plage de température de la buse…). Surtout, elles doivent être capables de réaliser de l’impression multimatériaux en diminuant les contraintes de structures de support.
L’extrusion par filament fondu (fused filament fabrication, FFF), le dépôt de résine (direct ink writing, DIW) et la projection de matière (material jetting, MJ) ont intrinsèquement des capacités multimatériaux grâce à l’utilisation de multiples têtes et réservoirs. Mais les techniques de traitement numérique de la lumière (digital light processing, DLP), de microstéréolithographie par projection (PµSL), de polymérisation à deux photons (two-photon polymerization, TPP), de stéréolithographie (SLA) et de fusion sélective par laser (SLM) ont aussi été utilisées pour fabriquer des pièces multimatériaux, même si c’est encore de façon marginale. En exploitant un unique matériau actif, ces dernières techniques jouent sur les paramètres d’impression pour obtenir différentes propriétés, ce qui peut être utile pour l’impression 4D au niveau du contrôle de la déformation.
Les chercheurs ont également ouvert la voie à des stratégies hybrides grâce à des machines multitechniques sur mesure pour une distribution et une composition spécifique des matériaux. Certaines combinent les techniques DLP et DIW ou FFF et DIW, d’autres des techniques d’assemblage de matériaux par emboîtement topologique. Les procédés multimatériaux ou hybrides permettent de déposer des matériaux actifs et passifs pour construire des objets 4D sophistiqués, pour lesquels il existe différentes distributions de matériaux possibles, en sandwich, bilame, à gradient, à motifs et numérique. Ces mêmes distributions pourront être réalisées à partir d’un seul matériau actif, avec des propriétés identiques.
3. Des méthodes d’ingénierie « dopées »
Mettre en avant les facteurs clés de l’impression 4D est d’une importance capitale, surtout en ingénierie, où les décisions ont un impact sur les processus en aval. Les mécanismes de changement de forme issus des comportements des matériaux actifs et leur agencement dans l’espace permettent de remplir les six fonctions élémentaires de transformation contrôlables par les stimuli (courbure, pliage, torsion, expansion-contraction, changement de propriétés et d’état) (fig. 2). Combinées, celles-ci couvrent le spectre des changements dans le temps et l’espace, avec des transformations complexes comme les origamis et les kirigamis. Ces fonctions et leurs combinaisons représentent une première étape de conception pour la description et la spécification des dispositifs intelligents, sur laquelle des exigences supplémentaires sont exprimées. Cette étape englobe la transformation unidirectionnelle ou bidirectionnelle (réversible) entre l’état d’origine et final des objets, mais aussi les forces et les couples nécessaires, ou même l’intensité énergétique au fil du temps. L’ingénierie doit pouvoir composer avec ces fonctions pour opérer des changements sophistiqués dans le cadre de systèmes déployables, adaptables et transformables.
Florent Robert Il convient de générer des solutions allant au-delà des primitives de transformation mentionnées. Si travailler sur la composition fonctionnelle est une voie à poursuivre pour structurer un changement de forme compatible avec les stimuli disponibles et les performances attendues au sein d’un espace de conception, déterminer cette composition requiert une exploration conséquente en termes de temps de calcul, qui ne peut pas être réalisée par une intelligence humaine. Les méthodes les plus récentes en conception pour l’impression 4D concernent la résolution de problèmes inverses complexes. Partant d’un état (2D ou 3D) d’origine et de l’état 3D désiré sous stimulation, il convient d’user de techniques numériques pour déterminer la meilleure distribution de matériaux actifs et passifs dans l’espace de conception. En général, le voxel est l’unité spatiale de résolution employée pour affecter le bon matériau au bon endroit. Il faut coupler l’intelligence artificielle (IA) – plus particulièrement les techniques d’apprentissage automatique – pour la prédiction avancée et des algorithmes évolutionnaires pour résoudre les problèmes de conception inverse (fig. 5).
Florent Robert La prédiction consiste à déterminer le changement de forme en fonction d’une distribution de matériaux sous stimuli. Il s’agit de partir d’un espace de conception décrivant un état initial, de définir un arrangement spatial de matériaux actifs et passifs et de déterminer le changement de forme. Cette prédiction est le plus souvent obtenue par simulation numérique, avec la méthode des éléments finis. L’IA optimise les temps de calcul et entraîne une base de données (distribution de matériaux actifs-passifs ⇒ effets). Sur la base d’un ensemble de données liant distributions et prédictions, il est possible d’appliquer une descente de gradient et un algorithme génétique pour résoudre les problèmes de conception inverse (effets désirés ⇒ distribution de matériaux actifs-passifs). Cette démarche est stratégique lorsque l’on impose un état final désiré sous stimulation et que la distribution de matériaux actifs-passifs en est l’inconnue.
On peut encore aller plus loin en jouant sur des structures en treillis (lattices) ou poreuses. La conception ne doit pas seulement viser le changement de forme (au sens géométrique), mais aussi considérer la performance d’actionnement et mécanique, l’efficacité énergétique et l’imprimabilité de la solution retenue. Le problème est donc à la fois très ouvert et très complexe.
4. Preuves de concept et applications émergentes
La majorité des travaux de recherche se concentre sur la réalisation de preuves de concept (fig. 6). Les concrétisations sont plus ou moins abouties et dépendent du domaine scientifique auquel les chercheurs sont associés. Un travail préliminaire est effectué sur le développement du matériau actif, en termes de synthèse, de formulation, de comportement mécanique et d’actionnement sous stimuli. De petits démonstrateurs sont ensuite mis en service. Malgré des résultats parfois spectaculaires, ils restent souvent confinés au contexte applicatif de l’article scientifique. Ces approches ascendantes (bottom-up), consistant à observer et expérimenter pour construire, sont nécessaires au renforcement disciplinaire et à la création de connaissances. Néanmoins, elles doivent pouvoir être articulées avec des approches plus systémiques et descendantes (top-down) pour augmenter l’applicabilité des matériaux actifs et de l’impression 4D au sens large.
Florent Robert À ce stade, les preuves de concept restent encore éloignées des applications industrielles. Toutefois, certaines, comme des actionneurs pour la robotique souple et le biomédical, semblent proches de l’aboutissement. L’état d’avancement de ces réalisations est souvent limité par les revues scientifiques cibles. Un obstacle qu’il est nécessaire de contourner, notamment dans le cadre de projets bipartites avec l’industrie, voire collaboratifs interdisciplinaires.
5. Perspectives pour un passage à l’échelle industrielle
L’industrie 4.0 transforme profondément le paradigme de la stratégie industrielle, avec la logique de performance économique et les mécanismes de création de valeur qui la sous-tendent. Ses possibilités et ses avantages sont multiples : production de masse flexible et sur mesure, coordination et optimisation en temps réel des chaînes de valeur, réduction de la complexité et des coûts, adaptabilité et émergence de nouveaux services, modèles commerciaux à haute performance… La production repose de moins en moins sur les effets d’échelle et de volume et devient toujours plus modulable et localisée, plus proche de la demande, marquant une adaptation dynamique aux besoins de l’utilisateur. En plaçant l’usage, et non plus le produit, au cœur de leur logique, l’ingénierie et la production doivent devenir plus prédictives. En réduisant le coût de la complexité, la fabrication additive, s’intègre déjà parfaitement dans cette logique.
Avec la possibilité de créer des objets capables de changer de forme et de propriétés, l’impression 4D a un rôle crucial à jouer aux côtés des autres piliers de l’industrie 4.0, tels que la robotique souple et l’internet des objets. Son développement est essentiel. Étant donné son potentiel immense et sa complexité, il est raisonnable de penser que la montée en maturité technologique sur l’échelle TRL (technology readiness level) prendra un certain temps. Cependant, elle devra d’abord bénéficier de la croissance de la FA et des technologies numériques. Au-delà des perspectives spécifiques à chaque discipline impliquée, il est crucial de centraliser et d’articuler les efforts scientifiques autour des thèmes transversaux suivants : pour l’assemblage de matériaux, pour la FA, pour la transformation, avec les stimuli, avec les matériaux actifs, avec l’IA, en visant la performance... Tout cela en intégrant les considérations d’éco-conception, de développement durable et de non-toxicité. Ces thèmes stratégiques, couplés à une part de créativité, nécessiteront le développement de nouveaux modèles, méthodes, procédés et outils numériques. Autant d’actions convergentes qui sont vitales pour l’émergence de dispositifs adaptables, déployables et transformables pouvant apporter un lien plus naturel avec les usages et leurs possibles évolutions.
