Exemple d’objectif commercial #1
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Introduction
Impression 4D – Définition
L’introduction de la quatrième dimension dans la technologie d’impression 3D est appelée « impression 4D ». Avec cette nouvelle dimension, les objets imprimés en 3D possèdent la capacité de changer leur forme par eux-mêmes sous l’influence de stimuli externes, tels que la lumière, la chaleur, l’électricité, le champ magnétique, etc. En intégrant la dimension du temps, les objets imprimés changent de forme de manière dynamique en fonction des besoins et des exigences de la situation, sans aucune pièce électromécanique ni pièce mobile. Ce phénomène de changement de forme des objets imprimés en 3D est basé sur la capacité du matériau à se transformer au fil du temps en réponse à des stimuli spécifiques, et il ne nécessite pas d’intervention humaine pour aider le processus.
Émergence de l’impression 4D à partir de l’impression 3D
L’impression 3D, une technique de fabrication additive, est considérée comme l’une des innovations les plus perturbatrices dans le domaine de la fabrication moderne. Elle a complètement transformé la façon dont les pièces/composants et les équipements sont fabriqués dans l’industrie, ainsi que leur conception et leur développement. L’impression 3D permet aux fabricants et aux chercheurs de développer des formes et des structures complexes, qui étaient auparavant considérées comme impossibles avec les méthodes de fabrication traditionnelles. La technologie de l’impression 3D a connu des progrès constants au cours des trois dernières décennies et a évolué de façon spectaculaire. Malgré sa capacité à créer des conceptions complexes, bio-inspirées et multi-matériaux, l’impression 3D n’est pas encore prête à être adoptée dans la fabrication à grande échelle.
Le besoin croissant d’objets flexibles dans diverses applications, comme les emballages auto-pliants, les éoliennes adaptatives, etc. a alimenté l’émergence de l’impression 4D. Les chercheurs anticipent actuellement l’impression 3D classique, qui fabrique des structures à partir d’un seul matériau, pour développer une structure méta-matériau. La structure méta-matérielle est générée en combinant différents matériaux qui fournissent des réponses structurelles superposées lorsqu’ils sont activés par des stimuli externes. L’impression congruente de différents matériaux forme une anisotropie matérielle, qui permet à l’objet de modifier sa structure en se pliant, s’allongeant, se tordant et s’ondulant le long de ses axes. Les chercheurs s’efforcent d’étendre ces changements structurels pour créer des casiers, des élévateurs, des microtubes, des robots mous, des jouets, etc. Cette capacité des objets à transformer leur structure au fil du temps en utilisant le comportement de différents matériaux est appelée impression 4D.
Les principales différences entre l’impression 3D et l’impression 4D sont l’utilisation des matériaux à imprimer et l’installation d’impression. Les pièces 1 et 2 représentées ci-dessous expliquent les principales différences entre l’impression 3D et l’impression 4D.
Matériaux et technologies d’impression 4D
Domaines de recherche principaux
Comme la technologie d’impression 4D est encore à son stade naissant, les matériaux utilisés pour elle sont minimes. Toutefois, la recherche et les progrès réalisés dans le domaine de l’impression 3D devraient offrir de nouvelles possibilités à l’impression 4D. Les principaux domaines de recherche actuellement en cours en ce qui concerne l’impression 4D sont représentés dans la pièce 3 ci-dessous.
Les matériaux intelligents sont l’un des domaines de recherche très ciblés dans l’impression 4D, dans lequel le mécanisme de déformation de divers matériaux est synthétisé en fonction de leurs réponses à divers stimuli externes. La conception du matériel porte sur le développement d’une technologie d’impression avancée, capable d’imprimer plusieurs matériaux de manière congruente. Actuellement, les chercheurs utilisent des méthodes d’impression 4D telles que la polymérisation directe par jet d’encre, la modélisation par dépôt en fusion, la stéréolithographie, la bioprinture assistée par laser et la fusion sélective par laser. La recherche sur la modélisation mathématique est essentielle pour comprendre les structures fonctionnelles des objets imprimés en 4D. Elle prédit le processus de déformation (en avant) et de formation (en arrière) d’un objet déclenché par des stimuli.
Sélection des matériaux
Les matériaux pour l’impression 4D sont classés en fonction de leur environnement ou des stimuli externes avec lesquels ils réagissent. Les classes actuelles de matériaux intelligents sont actuellement classées dans les catégories suivantes :
Matériaux thermoréactifs
Ces matériaux fonctionnent sur le mécanisme de l’effet mémoire de forme (SME). Ils sont classés en alliages à mémoire de forme (SMA), polymères à mémoire de forme (SMP), hybrides à mémoire de forme (SMH), céramiques à mémoire de forme (SMC) et gels à mémoire de forme (SMG). La plupart des chercheurs préfèrent les SMP car il est facile d’imprimer sur ces matériaux. Ils se forment et se déforment lorsque la chaleur ou l’énergie thermique est appliquée comme stimulus.
Matériaux sensibles à l’humidité
Les matériaux qui réagissent au contact de l’eau ou de l’humidité sont classés dans cette catégorie. Ces matériaux sont largement préférés par les chercheurs, car l’eau est disponible en abondance, et elle peut être utilisée dans une large gamme d’applications. L’hydrogel est l’un des matériaux intelligents qui entrent dans cette catégorie, car il réagit vigoureusement avec l’eau. Par exemple, les hydrogels peuvent augmenter leur taille jusqu’à 200% de leur volume initial, lorsqu’ils entrent en contact avec de l’eau.
Matériaux photo/électro/magnétosensibles
Ces matériaux réagissent à la lumière, au courant et aux champs magnétiques. Par exemple, lorsque des chromophores photosensibles sont infusés dans des gels polymères à des endroits spécifiques, ils gonflent en absorbant la lumière lorsqu’ils sont exposés à la lumière naturelle. De même, lorsqu’un courant est appliqué à un objet contenant de l’éthanol, celui-ci s’évapore, augmentant ainsi son volume et élargissant la matrice globale. Des nanoparticules magnétiques sont intégrées dans l’objet imprimé pour obtenir un contrôle magnétique de l’objet.
Applications de l’impression 4D
L’idée de l’objet intelligent préprogrammé (créé à l’aide de matériaux intelligents) semblerait avoir plusieurs applications dans diverses industries. Cependant, étant une nouvelle technologie, la plupart des applications sont actuellement en phase de recherche &développement. Les principales applications finales de la technologie d’impression 4D devraient provenir des secteurs de la santé, de l’automobile, de l’aérospatiale et de la consommation. Cependant, le potentiel de l’impression 4D devrait avoir un impact sur d’autres industries également, telles que l’électronique, la construction, l’industrie, etc. dans un avenir proche.
Certaines des recherches actuelles dans le domaine de l’impression 4D sont représentées dans la pièce 5 ci-dessous.
Le matériau auto-gonflable développé par BMW, en collaboration avec le MIT (comme indiqué dans le tableau ci-dessus) a suscité l’intérêt de plusieurs experts. Le matériau, composé de silicone se gonfle lorsqu’il est déclenché par des impulsions d’air, pourrait être l’avenir de la pneumatique. Outre les exemples cités ci-dessus, il existe plusieurs autres activités de recherche &développement entreprises par des acteurs clés de l’industrie de l’impression 4D. Par exemple, certaines des applications dans l’industrie des soins de santé comprennent la « livraison ciblée de médicaments », la « fabrication de stents » pour une invasion chirurgicale minimale, le développement d’attelles changeant de forme, etc. Le développement de la « robotique douce » et des « actionneurs hydrauliques et pneumatiques » sont quelques-unes des principales applications dans ce domaine industriel. La construction de routes et de ponts auto-cicatrisants pourraient être des applications potentielles dans l’industrie de la construction.
La pièce 6 ci-dessous explique la chronologie de l’impact possible de l’impression 4D sur diverses applications à travers les industries.
Maturité technologique de l’impression 4D
La pièce 7 ci-dessous présente la phase actuelle des développements technologiques de l’impression 4D. Étant dans la phase de déclenchement de l’innovation, la technologie a certainement créé beaucoup de battage ; cependant, il faudra plus de 10 ans pour atteindre le plateau de productivité.
Le cycle de battage indique également que plusieurs avancées dans l’impression 3D sont encore dans les phases de déclenchement de l’innovation et d’attentes exagérées du cycle de vie. Cela implique que l’impression 3D a encore un long chemin à parcourir, et que l’impression 4D, qui succède à l’impression 3D, pourrait être lente dans sa progression. Toutefois, il n’est pas obligatoire que les progrès de l’impression 4D suivent toujours ceux de l’impression 3D. En dehors des capacités d’une imprimante 3D (sa capacité à imprimer plusieurs matériaux de manière congruente et à imprimer sur plusieurs axes), d’autres domaines de recherche axés sur les matériaux intelligents et la modélisation mathématique ne dépendent pas ouvertement de l’impression 3D.
Conclusion – Opportunités et défis
Plusieurs projets de recherche et développement spécifiques à l’impression 4D sont en cours dans des industries, telles que les soins de santé, l’électronique, l’automobile, l’aérospatiale et la défense, les appareils de consommation (mode et biens de consommation durables), le textile, la construction et les machines industrielles. Bien qu’il s’agisse d’une technologie nouvelle, les opportunités potentielles présentées par l’impression 4D sont vastes et sont reconnues par plusieurs experts du domaine.
Le marché de l’impression 4D commence à s’établir, en raison de nombreuses activités de recherche et développement. L’opinion sur la croissance du marché est variée parmi les experts. La vision optimiste de la technologie suggère que le marché croîtrait à un TCAC d’environ 33% (une augmentation estimée de la taille du marché de 35 millions de dollars US en 2019 à 200 millions de dollars US en 2025). Cependant, étant une nouvelle technologie à ses débuts, FutureBridge prédit que le marché de l’impression 4D croîtrait à un taux légèrement plus lent de 20% d’ici 2025 (se référer à la pièce 8).
Malgré le fait qu’il s’agisse d’une technologie prometteuse, l’impression 4D doit surmonter plusieurs obstacles technologiques avant d’être largement adoptée. Certains des principaux défis de l’industrie de l’impression comprennent le manque de capacité à fournir des structures de support pour les objets complexes, le manque d’imprimantes multi-matériaux, le manque d’imprimantes à faible coût et de matériaux intelligents, la lenteur des temps d’impression et la fiabilité limitée des objets imprimés à long terme. Bien qu’il y ait certaines avancées dans la technologie d’impression, comme l’équipement d’impression à 5 axes, qui devrait éliminer le problème de la construction de structures de support pour les structures internes compliquées, d’autres défis subsistent.
En outre, des défis tels que l’actionnement lent et imprécis, le manque de contrôle sur les états intermédiaires de la déformation, et la disponibilité limitée des matériaux sont d’autres raisons pour l’adoption retardée de la technologie d’impression 4D. Toutefois, compte tenu de l’intérêt manifesté par les fabricants et du niveau élevé des activités de recherche et de développement en matière d’impression 4D, la technologie pourrait faire un bond exponentiel à un rythme plus rapide que celui prévu. Enfin, les fabricants qui veulent être à l’avant-garde des changements et des avancées technologiques devraient se tenir au courant des avancées technologiques et des implications potentielles de l’impression 4D.