L’impression 4D sera-t-elle la prochaine grande évolution de la fabrication additive, au même titre que ce qu’a été, au début des années 1980, l’impression 3D par rapport à celle en 2D ? C’est en tout cas l’avis de ses promoteurs, dont fait partie Frédéric Demoly, professeur à l’université de technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM). « Cette quatrième dimension désigne une condition extérieure – température, pH, champ magnétique ou écoulement du temps – qui vient solliciter une matière réactive contenue dans l’objet. Celui-ci peut ainsi changer de forme ou de propriétés selon son environnement », précise-t-il.
Ce spécialiste de la conception et de la production assistées par ordinateur a fait de l’impression 4D l’un de ses principaux sujets d’étude. Il a été séduit, en 2013, par la présentation d’un chercheur du MIT, Skylar Tibbits. À la tête du Self?assembly lab, ce dernier a été l’un des premiers à mettre en avant les possibilités d’auto-organisation des matériaux pour faire émerger de nouvelles applications. Depuis, de nombreux démonstrateurs d’objets 4D ont fait leur apparition : des fleurs en polymères s’ouvrant sous l’action de la température, ondoyant dans l’eau, ou encore des éléments imprimés se recombinant sous l’effet d’un champ magnétique.
De nombreux verrous à lever
En 2017, Frédéric Demoly s’est lancé dans l’impression 4D, avec Jean-Claude André, le pionnier de la fabrication additive. Les deux chercheurs travaillent à la fois sur les procédés additifs et sur les matériaux pour créer des objets évolutifs. Le potentiel de cette technologie fait rêver : systèmes fonctionnant sans actionneurs électriques, objets reconfigurables pour s’adapter à l’usage, ou encore dispositifs autoréparants… Mais derrière ces promesses, de nombreux verrous restent à lever pour apprendre à associer intimement la chimie des matériaux, le contrôle de leurs réactions aux sollicitations externes et la conception des pièces pour aboutir à des fonctionnalités.
Selon Jean-Claude André, la complexité est proche de celle de la robotique auto-assemblée, à cette différence près que les fonctionnalités doivent être « programmées » dans le matériau lui-même. Les procédés de fabrication additive peuvent permettre de concevoir ces éléments complexes en déposant les matières là où elles sont nécessaires. « Nous travaillons sur des systèmes d’impression 3D multi-matériaux pour aboutir à ces objets complexes », indique Frédéric Demoly.
Des équipes de recherche de l’institut Jean Lamour de Nancy se sont également penchées sur des procédés de fonctionnalisation de pièces imprimées. Les chercheurs dirigés par Samuel Kenzari, ingénieur de recherche CNRS, et Thomas Hauet, enseignant-chercheur à l’université de Lorraine, ont adapté une imprimante à dépôt de fil fondu (FDM) pour aimanter des particules de néodyme dans la chambre d’impression. Une première qui ouvre la voie à des réalisations 4D. Les pièces produites peuvent comporter des zones de moments magnétiques différents. « Cela nous permet de fabriquer des pièces imprimées avec des fonctionnalités activables à distance par un champ magnétique », explique Samuel Kenzari. Une technologie qui cherche encore des applications concrètes dans ce domaine.
Famille de procédés Extrusion de matière
TRL 2-3
Forces Ajout de fonctionnalités aux pièces, meilleure utilisation des matériaux, possibilité de créer des objets réparables
Faiblesses Connaissance des matériaux à améliorer, nécessité d’établir de nouvelles règles de conception des objets
