L’impression 4D amorce une grande étape

L’impression 4D a été inventée en 2013 par Skylar Tibbits qui dirige actuellement le  Self-Assembly Lab au Massachusetts Institute of Technology. Cette technologie permet d’imprimer des structures qui se meuvent grâce aux matériaux programmables. Ces derniers peuvent aussi changer de couleurs ou de textures en réagissent à des stimulations externes. L’impression 4D réalise aussi des objets capables de s’autoassembler étant donné que la réaction des matériaux est prédéfinie. La quatrième dimension réfère ainsi au temps puisque les objets créés se modifient sans recours à une autre étape de fabrication. La technologie n’attirait pas encore les industriels, car l’intégration d’autres matériaux et composants dans les matières programmables est une opération délicate et coûteuse.

Une équipe du Georgia Institute of Technology, à Atlanta, a mis au point une nouvelle génération d’imprimantes 4D qui résout ces contraintes. Des fonctions ont été ajoutées pour pouvoir réaliser des objets et des composants électroniques en peu de temps et en passant par un procédé plus simple. L’innovation est de fait intéressante autant pour les applications civiles que militaires et aérospatiales.

Les chercheurs ont présenté cette technologie lors de la 255^e rencontre et exposition nationale de l’American Chemical Society (ACS) qui a eu lieu du 18 au 22 mars à La Nouvelle-Orléans.

Présentation de la technologie pendant l’événement de l’ACS

En plus de simplifier la configuration des machines d’impression existantes, cette technologie permet de créer des objets faits à partir de plusieurs matériaux et d’incorporer les composants électriques en même temps.

L’équipe avait auparavant optimisé la technique d’impression des matériaux programmables. Cette étape a été effectuée dans un autre projet, en collaboration avec des chercheurs de la Singapore University of Technology and Design en 2017. Rappelons que les objets à base de matériaux programmables changent de forme lorsqu’ils sont excités par la chaleur, l’humidité, la lumière ou d’autres stimuli. Pour réaliser une fleur qui s’ouvre et se ferme, un dôme à partir d’une étoile et une grille rétractable, les chercheurs ont utilisé une machine d’impression 3D du commerce, une source de chaleur et un polymère à base d’acrylique et d’époxy. L’équipe a réussi à augmenter de 90 % la vitesse de réaction du matériau au stimulus en intégrant les étapes de programmation mécanique directement dans le processus d’impression en 3D.

Par ailleurs, la nouvelle technologie promet d’obtenir des formes et des structures encore plus complexes.

Un condensé de technologies

Il s’agit en effet d’une machine multifonctionnelle qui utilise quatre technologies d’impression, à savoir :

1. Le dépôt de matière fondue
2. Le jet d’encre
3. L’impression par jet d’aérosol
4. L’écriture directe

La combinaison de ces fonctions a été possible grâce à la conception d’une programmation thermomécanique intégrée qui n’altère pas les matériaux lors des différents traitements thermiques.

Alors que les imprimantes 4D commercialisées ne peuvent imprimer qu’un seul matériau, cette technologie imprime simultanément une large gamme de matériaux rigides et souples, soit les hydrogels, les encres conductrices à base de nanoparticules d’argent, des élastomères à cristaux liquides et des polymères à mémoire de forme, etc.

Elle comporte un composant qui projette de la lumière, sur les parties de l’objet imprimé, de différentes teintes de gris pour déterminer les zones qui doivent durcir et celles qui doivent ramollir selon le résultat souhaité. Une teinte claire permet d’obtenir une partie dure, tandis qu’avec une teinte foncée, on obtient une partie souple. Un objet ou une partie de cet objet peut ainsi avoir sa propre structure, qui se plie ou s’étire.

L’imprimante peut fabriquer un fil électrique au moyen de la technique de jet d’encre. Le procédé consiste à pulvériser une encre, comportant les nanoparticules d’argent, sur la surface cible. Par l’action des lumières pulsées, l’encre s’évapore et les couches de métal durcissent jusqu’à la formation du fil. Par la suite l’imprimante construit le revêtement en plastique qui entoure le fil.

L’équipe collabore avec l’hôpital Children’s Healthcare of Atlanta (CHOA) afin d’imprimer des prothèses pour enfants nés avec des bras mal formés.

L’étude a été subventionnée par HP-Inc, la National Science Foundation, l’US Air Force Office of Scientific Research et Northrop Grumman.