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Article

1 - ÉMERGENCE ACADÉMIQUE DE L’IMPRESSION 4D

2 - COMPARAISON SYNTHÉTIQUE 3D ET 4D

3 - IMPRESSION 4D ET MATÉRIAUX 4D

4 - COMPLEXITÉ, INTERDÉPENDANCES ET INTERDISCIPLINARITÉ DANS LA CONCEPTION D’UN DISPOSITIF 4D

5 - REBONDISSEMENTS ATTENDUS

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : BM7937 v1

Impression 4D et matériaux 4D
Matériaux pour l’impression 4D - 4D Printing Materials

Auteur(s) : Jean-Claude ANDRÉ

Date de publication : 10 nov. 2024

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RÉSUMÉ

Inventé en 2012 au Royaume-Uni, le concept d’impression 4D ne sort pratiquement pas du monde académique malgré l’aspect « extraordinaire » d’une possibilité d’animer ou de modifier la matière à partir d’une forme réalisée par impression 3D. Il a paru nécessaire, après 10 ans, de faire un point d’étape, d’examiner factuellement comment mettre en débat des voies possibles de développement de l’impression 4D à partir de la fabrication additive dans l’industrie, domaine où d’évidence les matériaux 4D pourraient jouer un rôle éminent. En effet, par manque d’applications industrielles, ces derniers constituent une « bibliothèque » de connaissances sur la synthèse, les propriétés 4D avec leurs avantages et leurs limites. Les sciences de l’artificiel et du design peuvent servir de support à l’émergence d’idées industrialisables de cet hyperobjet qu’est l’impression 4D.

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ABSTRACT

4D Printing Materials

Invented in 2012 in the UK, the concept of 4D printing has hardly left the academic world, despite the "extraordinary" aspect of being able to animate or modify matter from a 3D-printed form. After 10 years, we felt it necessary to take stock of the situation, to examine the facts, and to discuss possible avenues for the development of 4D printing based on additive manufacturing in industry, a field in which 4D materials could obviously play an eminent role. Indeed, for lack of industrial applications, 4D materials constitute a "reservoir" of knowledge on synthesis and 4D properties, with their advantages and limitations. Artificial and design sciences can support the emergence of ideas applied in the industrial field for the hyper-object that is 4D printing.

Auteur(s)

  • Jean-Claude ANDRÉ : DR CNRS - LRGP – UMR7274 CNRS-UL, 1, rue Grandville, 54000 Nancy – France

INTRODUCTION

En 1984, la fabrication additive voit le jour en France et six semaines après aux USA. En 2012/2013, en ajoutant la création d’objets par fabrication additive contenant de la matière « active » qui évolue en forme ou en fonctionnalité quand elle est stimulée par une énergie convenable, on fait émerger le concept d’impression 4D, de manière timide à l’université de Bath au Royaume-Uni et puis au MIT aux USA. Les derniers promoteurs de cette technologie se sont exprimés sur une rupture de même amplitude que pour la 3D. Ce qu’ils n’ont pas perçu à l’époque, c’est que ce passage de 3 à 4D se traduisait par de nouveaux concepts d’hyperobjets et de complexité…

Ces « objets » sont des entités complexes aux dimensions temporelles et spatiales vastes qui ont un impact sur notre façon de penser. Pour les « attraper », il faut focaliser notre attention sur des fragments. Notre représentation du monde est limitée et, par suite, nous disposons d’une faible capacité à comprendre et/ou à maîtriser des phénomènes observés (ou simplement entrevus) du domaine, à travers de petites tranches de connaissances scientifiques.

Dans cet espace immense à explorer, il est possible de s’appuyer sur les savoirs acquis depuis 1984 sur la fabrication additive, mais il est naturellement avantageux de savoir de quoi sont constitués les éléments principaux qui constituent la fabrication 4D : matériaux, stimulations énergétiques, interactions, état de l’environnement culturel, technologies alternatives, épistémologie, etc. Dans le même temps, il faudrait se poser la question d’un non-transfert depuis le contexte scientifique actuel (ne disposant pas d’une « feuille de route » approfondie) d’une part, et d’une absence de transfert vers la société. Peut-être alors doit-on canaliser l’enthousiasme académique (+ 44 % de croissance du nombre de publications annuelles) via de nouveaux matériaux actifs utilisables et l’usage de concepts nouveaux qui acceptent des solutions 4D fiables, mais reposant sur des sciences d’ingénierie moins rigides permettant de passer du complexe au déterminisme…

Dans le développement vers les milieux socioéconomiques de cette technologie, les matériaux actifs disposent d’un rôle éminent qui constituera une part importante de cet article. Mais, pour autant, ces matériaux, purs et actifs ou associant actifs et passifs, ne sont qu’une partie, certes essentielle d’un ensemble un peu plus vaste, tel que celui observé dans tout objet un peu compliqué, où chaque élément doit s’intégrer pour permettre au système technique d’être fonctionnel. Pourrait-on accepter de réaliser un objet 4D de taille donnée avec un dispositif de stimulation de taille mille fois plus élevée ? On retrouve ainsi la notion d’hyperobjet. Chacun des contributeurs au sujet des interactions maîtrisées entre matériaux et stimulations énergétiques du domaine 4D est lui-même un hyperobjet, avec sa propre cohérence, avec un petit « bout » de sa scientificité et de ses savoirs techniques et méthodologiques validés. Pour avancer, il convient donc de maîtriser, autant que faire se peut, les langages et les concepts qu’ils décrivent…

Comme cette introduction le présente, il existe autour de cette présentation, centrée « matériaux actifs », de nombreuses ramifications, plus ou moins fortement associées, qui pourraient, par exemple, expliquer le faible retentissement économique de cette impression 4D, mais en même temps servir pour se doter d’une « feuille de route » visant le développement industriel de la technologie. Il convient, en effet, d’envisager pour demain l’activité 4D des entreprises comme un prolongement non problématique du travail scientifique.

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KEYWORDS

innovation   |   4D printing   |   Complexity   |   Active material   |   Stimulation by energies   |   Industrial desirability   |   Hyper-object   |   Sciences of the artificial

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm7937


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3. Impression 4D et matériaux 4D

L’acteur 4D est amené à faire des choix plus précis et plus nombreux sur lesquels il va s’investir : procédés 3D, matériaux et leur mise en forme, multimatériaux avec leur résolution spatiale, leur imprimabilité, les modes de stimulation et leurs dispositifs, répartition spatiotemporelle des stimulations et leurs amplitudes, etc.

3.1 Les faits : cadrage général

« La chimie responsable de l'effet 4D des matériaux n'est souvent pas explicitée, malgré le nombre croissant d'articles publiés sur ce sujet. Pour des applications spécifiques, seule la modification chimique des matériaux polymères permet d'obtenir les caractéristiques requises pour l'impression 4D » . L'absence de méthodologie prédictive constitue de fait un goulot d'étranglement important dans le développement de matériaux pour l’impression 4D. Par conséquent, l'exploration de nouveaux matériaux actifs repose souvent sur des améliorations incrémentales et plus rarement sur la sérendipité avec des approches par essais et erreurs. À la prise de risque d’échec sont associés les temps d’étude et de développement, la mobilisation de chercheurs et de financements. La section 3.2 présente une synthèse des matériaux accessibles (avec des natures et modifications sous sollicitations énergétiques variées en grand nombre), leurs modes de stimulation associés à des critères de performance.

HAUT DE PAGE

3.2 Matériaux 4D

Dans les faits, la plupart des matériaux actifs sont, à quelques exceptions près (métaux, céramiques), d’origine polymérique ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ANDRÉ (J.C.) -   Impression 3D : niches applicatives porteuses.  -  Techniques de l’Ingénieur [BM 7 970] (2017).

  • (2) - ANDRÉ (J.C.) -   From additive manufacturing to 3D/4D printing 1 – From concepts to achievements. From additive manufacturing to 3D/4D printing 2 – Current techniques, improvements and their limitations. From additive manufacturing to 3D/4D printing 3 – Breakthrough innovations : programmable materials, 4D printing and bio-printing.  -  Wiley-ISTE Ed. – London – UK (2018).

  • (3) - SCHUMPETER (J.A.) -   Théorie de l’évolution économique.  -  Dalloz Ed. – Paris (1999).

  • (4) - ANDRÉ (J.C.) -   Knowledge production modes between science and applications.  -  ISTE/Wiley Ed. London – UK (2023).

  • (5) - GE (Q.), SAKHAEI (A.H.), LEE (H.), DUNN (C.K.), FANG (N.X.), DUNN (M.L.) -   Multi-material 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers.  -  Scientific Reports, 6, p. 31110 (2016).

  • ...

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