L’impression 4D, ou quand les matériaux entrent dans la quatrième dimension

Au fil des ans, nous avons appris à nous familiariser avec le concept d’impression 3D. Cette technologie consiste à appliquer des couches successives d’un matériau pour créer un objet dans ses trois dimensions de hauteur, longueur et largeur. Avec la 4D, les chercheurs ajoutent une quatrième dimension : celle du temps.

Cela signifie qu’un objet imprimé en 4D changera de forme lorsque le matériau intelligent qui le compose – hydrogel ou polymère à mémoire de forme par exemple – sera exposé à un stimulus donné. Ces stimuli peuvent être de nature physique ou chimique, tels que l’eau, l’humidité, les variations de température, le pH ou encore la lumière.

Une pince de robot pourrait ainsi agripper des boulons seulement à une température bien précise, ou une surface plane prédécoupée pourrait prendre sa forme finale lorsqu’elle est exposée à de l’eau, devenant un cube par exemple. Imaginez les énormes économies d’entreposage et de frais de transport.

Dans le domaine médical, il est question d’implants, de prothèses ou de stents – les petits ressorts qui gardent une artère de cœur ouverte – qui ne prennent leur forme que lorsqu’ils sont exposés à la chaleur interne du corps.

Cela peut sembler un peu ésotérique au premier abord, mais déjà des scientifiques commencent à élaborer des applications prometteuses, ici au Québec.

Éoliennes et ailes d’aéronefs

À l’Université Concordia, l’équipe du professeur Suong Van Ho a fait appel à l’impression 4D pour fabriquer des pales d’éoliennes en composites plus légères et qui tournent plus vite que les modèles traditionnels.

« Au cours du processus de fabrication, des stratifiés plats en carbone ou en époxy sont durcis, puis se déforment naturellement pour prendre des formes courbes en refroidissant, ces formes étant le résultat des différences soigneusement calculées dans les propriétés des matériaux d’une couche à l’autre », peut-on lire sur la page Web de l’université consacrée au projet.

Les mêmes chercheurs de Concordia se sont penchés sur les applications aéronautiques de l’impression 4D, plus particulièrement sur des drones. Ils ont élaboré un concept qui permet de remplacer le volet d’aile articulé couramment utilisé par un volet fixé au corps principal de l’aile et capable de se plier jusqu’à 20 degrés. Résultat : des ailes moins coûteuses et plus efficaces en vol.

Une technologie à ses premiers balbutiements

Fanny Charreteur est coordonnatrice du Carrefour québécois de la fabrication additive (CQFA), rattaché au Pôle de recherche et d’innovation en matériaux avancés au Québec (PRIMA).

En entrevue au Magazine MCI, elle dit constater un regain d’intérêt pour la fabrication additive 3D au cours de la dernière année, une technologie prisée dans l’aéronautique entre autres domaines.

Mme Charreteur surveille bien sûr l’évolution qui amènera éventuellement l’impression 3D au niveau 4D, mais elle estime que cette dernière sera plus un complément qu’un remplacement de l’impression 3D.

« À mon avis personnel, ce sera un complément parce que ce ne sont pas toutes les pièces qui ont besoin du 4D et de réagir en fonction du temps », dit-elle.

Elle estime que les possibilités de la 4D sont immenses, mais que les matériaux nécessaires ne sont pas encore assez matures pour remplir toutes ces promesses.

« C’est sûr qu’il y a un engouement au niveau de la recherche universitaire. Maintenant, est-ce que c’est adaptable dans l’industrie? Pour l’instant, non, pas du tout. »

« Ce serait bien de pouvoir planifier ça, d’anticiper. Mais est-ce que les entreprises ont les moyens de faire ça? Je n’en suis pas convaincue, enfin au niveau québécois. Il y a beaucoup de choses à mettre en place avant, notamment l’intelligence artificielle où les entreprises ne sont pas forcément à jour à ce niveau-là. L’impression 4D, on est encore un peu trop tôt pour en parler au niveau manufacturier », ajoute la spécialiste.

Seule possible exception selon la coordonnatrice du CQFA : les textiles intelligents destinés aux militaires, parce que beaucoup d’argent est présentement investi un peu partout dans le monde en défense.

Applications en construction

Professeur à l’École de technologie supérieure de Montréal (ETS), Conrad Boton évoque lui aussi l’utilisation de l’impression 4D dans le domaine du textile, alors que le vêtement change de texture en fonction de paramètres tels que la température.

Mais son dada à lui, c’est l’ingénierie de la construction. En plus de l’enseigner, il est directeur du Laboratoire de recherche sur les technologies de l’information en construction (LaRTIC), de l’ETS.

Il se spécialise en modélisation et simulation de la construction.

« Je travaille avec des chercheurs qui sont spécialistes des matériaux, parce qu’il faut programmer les matériaux », dit-il en entrevue au sujet des étapes qui nécessaires à l’impression 4D.

« Le principe, c’est qu’au lieu d’imprimer des choses qui vont être statiques finalement et de façon définitive, on va utiliser des matériaux qu’on aurait programmés de manière à réagir plus tard sous l’effet d’un certain nombre de stimuli », précise le chercheur.

M. Boton souligne que, parmi les matériaux avancés qui ont la cote en impression 4D, les polymères à mémoire de forme ont la cote. Ils seraient plus faciles à programmer et, comme ils sont à base de plastique, aisément recyclables.

Dans son domaine d’expertise, il envisage des bâtiments dont la façade vitrée pourrait être à opacité variable.

« Par exemple, est-ce qu’on peut avoir une façade qui, sous l’effet de l’ensoleillement ou de la chaleur va changer de texture et laisser entrer ou pas la lumière du soleil sans avoir besoin d’énergie externe? », se questionne le professeur.

Une telle avancée permettrait de réduire considérablement les frais de climatisation et d’améliorer le confort des occupants.

« Il y a une chose qui est très explorée actuellement, c’est les valves d’aération. Les valves d’aération qui vont s’ouvrir ou se refermer en fonction de la température pour laisser entrer plus ou moins l’air », ajoute M. Boton. Dans le domaine industriel, on pense immédiatement à des applications de transfert de chaleur qui permettent de chauffer les bâtiments au cours de la saison froide.

Selon le chercheur, les idées doivent justement venir de la base lorsqu’il est question d’impression 4D pour mener à des applications concrètes.

« Il faut des gens qui connaissent vraiment le domaine. Et c’est l’intérêt quand on travaille avec des partenaires industriels, c’est des gens qui connaissent les besoins et qui sont capables d’orienter les choses et de valider ce qu’on est en train de faire », dit-il.

Les entreprises manufacturières auraient-elles intérêt à intégrer l’impression 4D dans leur modèle d’affaires, soit en fabriquant des produits en 4D ou en fabriquant les matériaux intelligents qui le permettent?

Il estime que le bassin de personnes ou d’entreprises intéressées est relativement limité. Il faut que d’éventuels pionniers soient prêts à investir beaucoup en recherche et développement.

« Évidemment, des gens qui feraient ça ont plus de chances d’en profiter avant que la grande masse y arrive », analyse M. Boton.

Mais pour l’instant, il croit que c’est plus de l’ordre de la veille technologique que d’une réelle transformation du modèle d’affaires.

Il invite néanmoins les industriels intéressés à l’impression 4D à communiquer avec lui et les autres chercheurs de l’ETS, en utilisant l’adresse courriel Conrad.Boton@etsmtl.ca.

« Une chose qui peut être intéressante pour les entreprises, c’est le fait qu’elles peuvent faire des projets sans que ça leur coûte trop cher pour explorer différents usages ou expérimenter des choses en lien avec leurs besoins précis afin de se faire une idée. Comme ça elles ne prennent pas trop de risques. On va chercher du financement du gouvernement pour travailler avec les entreprises », conclut notre expert invité.