« Comment programmer les objets imprimés en 3D », voici comment Giancarlo Rizza, directeur de recherche CEA à l’école polytechnique, résume le principal enjeu de l’impression 4D, lors de la conférence dédiée à ce sujet au sein du salon Print 3D, qui s’est tenu à Paris les 19 et 20 octobre derniers.
Le concept est relativement récent, puisque c’est en 2013 que Skylar Tibbits, chercheur et responsable du Self-Assembly Lab au MIT, a proposé d’associer l’impression 3D à la « matière programmable » lors d'un TedTalk. Cette dernière est capable de changer de forme et de propriété sous l’influence d’un stimulus : la température, l’eau, un courant électrique, etc.
Un concept encore loin de l'industrialisation
Le concept, ambitieux, vise trois objectifs : l’autoréparation, l’auto-adaptabilité et l’auto-assemblage. Mais ils sont encore loin d’être atteints et le TRL est très bas (entre 1 et 4). De nombreux verrous restent encore à lever, par exemple autour du contrôle des réactions de ces matériaux aux stimulis, la conception des pièces ou encore leur vieillissement. Cependant, les applications pourraient être très larges, de la robotique double au transport de médicaments, en passant par la conception de matériaux autoréparants.
Des polymères à mémoire de forme
Et la recherche dans le domaine progresse : pour en parler, deux intervenants travaillant l’un sur les polymères et l’autre sur les métaux étaient invités à cette même conférence. Le premier, Sébastien Blanquer, est chercheur à l’Institut Charles Gerhardt Montpellier. Sa spécialité : la photopolymérisation, qui consiste à solidifier de la résine grâce à de la lumière UV. C’est selon lui « l’approche la plus performante et la plus rapide » pour l’impression 3D, et il a décidé de l'appliquer à la 4D. Ce qui implique, explique-t-il, « un changement de réflexion », puisque dorénavant, c’est le procédé qui va être adapté au matériau, et non l’inverse.
Il travaille plus particulièrement sur des matériaux à mémoire de forme, conçus pour se déployer sous l'effet de la chaleur puis reprendre leur forme, mais aussi sur les hydrogels. Ces derniers possèdent une température de transition au-delà de laquelle ils perdent toute affinité avec l’eau, une affinité qui est réversible. Ils peuvent donc s’emplir d’eau puis se rétracter lorsque la température augmente en quelques minutes, puis revenir à leur état initial si la température baisse à nouveau.
Un métal qui reprend sa forme en quelques secondes
Du côté des matériaux métalliques, l’objectif est aussi le développement de matériaux intelligents pour l’impression 4D, répondant à des stimuli tels qu’un champ magnétique ou une augmentation de la température. C’est sur ce deuxième point notamment que travaille la société PINT fondée en 2021 et hébergée au sein du laboratoire d’étude des microstructures et de mécanique des matériaux, à Metz. Comme l’indique son dirigeant, Paul Didier, l’entreprise s’est spécialisée dans les matériaux à mémoire de forme, cette fois métalliques. « Le mécanisme de la propriété mémoire de forme provient d’une transformation solide de phase entre les deux phases stables du matériau, à haute et à basse température », précise-t-il.
Lorsqu’il est chauffé, le matériau devient ainsi superélastique, puis reprend sa forme normale lorsque l’on enlève la source de chaleur, en quelques secondes ou dizaines de secondes. Le plus courant de ces métaux est le Nitinol, un alliage de nickel et de titane, très utilisé par PINT. Les applications de ce type de métal sont multiples, aussi bien dans le domaine médical, pour la fabrication d'agrafes servant à réduire des fractures, que dans le domaine spatial. Pint a d’ailleurs travaillé en collaboration avec le fournisseur de composants et mécanismes spatiaux Nimesis, l’ESA, Thales et le LEM3 pour simuler puis développer un actionneur pour engins spatiaux, capable de tourner sur 100°, le tout sans électricité. Un résultat encourageant et de bon augure pour l’avenir de l’impression 4D.
