L’impression 3D, connue pour sa capacité à produire facilement des objets tridimensionnels, connaît une croissance exponentielle et un engouement sans précédent. Elle trouve d’innombrables applications dans divers domaines scientifiques et technologiques, de la médecine à l’électronique.
Cette méthode de production, également appelée « fabrication additive », réduit considérablement le temps de fabrication d’une pièce, tout en permettant de concevoir des formes impossibles à obtenir avec les méthodes traditionnelles. Cependant, les pièces imprimées en 3D sont généralement statiques, alors que de nombreuses situations nécessitent qu’elles modifient leurs propriétés, comme la forme ou l’élasticité, en fonction de l’environnement.
L’impression 4D, une solution innovante, a été proposée par des chercheurs pour intégrer la fabrication additive dans des industries complexes telles que l’automobile, l’aérospatiale et la robotique souple. Cette approche consiste à programmer des matériaux pour qu’ils réagissent à différents stimuli externes tels que les champs électriques, la chaleur et la lumière, leur conférant ainsi des propriétés dynamiques.
Malgré le potentiel prometteur de l’impression 4D, elle présente certaines limitations, notamment en raison de la lenteur de la réponse des matériaux utilisés dans les pièces imprimées en 3D, qui entrave leur capacité à réagir rapidement à un changement d’environnement.
« Les technologies d’impression 4D souffrent actuellement de l’incapacité à produire des mouvements rapides, ce qui limite leurs applications nécessitant une transformation rapide de la forme, comme le déverrouillage et le déploiement rapide de l’équipement aérospatial« , explique Qingping Liu, professeur à l’Université de Jilin, dans un courriel.
Pour surmonter ces contraintes, Liu et ses collaborateurs en Chine, au Royaume-Uni et aux États-Unis ont proposé une idée novatrice. Au lieu de se concentrer uniquement sur l’amélioration des matériaux utilisés pour les pièces imprimées afin d’accélérer leur transformation, ils suggèrent de les remplacer par des objets constitués de deux composants imprimés. Le premier est conçu pour faciliter la vitesse requise de la pièce, tandis que le second initie et maintient le mouvement.
Dans leur étude publiée dans Advanced Functional Materials, les chercheurs déclarent s’être inspirés de la dispersion des graines d’une espèce de violette appelée Viola verecunda. Lorsque les fruits de cette fleur mûrissent, la surface interne de la gousse contenant les graines perd de l’eau, ce qui entraîne un stress mécanique sur la couche interne de la gousse.
La contrainte varie dans différentes régions de la gousse, ce qui crée une force qui éjecte les graines du fruit. Lorsqu’elles sont expulsées de la gousse, les graines atteignent une vitesse de plusieurs dizaines de mètres par seconde et une accélération d’environ 30 000 fois supérieure à la gravité.
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Pour reproduire ce mécanisme, l’équipe a imprimé en 3D un objet ressemblant à une catapulte, composé de deux parties faites d’une résine appelée polycarbonate et d’un plastique connu sous le nom de polyuréthane, qui réagissent différemment à la chaleur. Sous l’effet d’une température croissante, les deux parties se contractent à des rythmes différents, et comme la gousse de violette, une contrainte est générée à l’intérieur de l’appareil, accumulant une force qui finit par lancer un projectile imprimé en 3D.
Les chercheurs n’ont pas réussi à atteindre la vitesse des graines de violette expulsées de leurs gousses, mais néanmoins, la vitesse du projectile était très élevée selon les normes de l’impression 4D, atteignant plusieurs mètres par seconde.
« Tout comme une Viola verecunda disperse ses graines une à une, la catapulte biomimétique a été développée grâce à la technologie d’impression 4D multi-matériaux« , a déclaré Liu, résumant les résultats de l’étude. « Cette catapulte peut réaliser une éjection à haute vitesse avec les stimuli de température, de lumière ou d’électricité. La stratégie d’impression 4D biomimétique proposée a permis de dépasser les limitations en termes de vitesse de mouvement, ce qui contribue à libérer pleinement le potentiel de l’impression 4D. »
L’une des applications les plus intéressantes de cette catapulte imprimée en 4D est de lancer plusieurs satellites simultanément. Pour tester cela, l’équipe a imprimé de petits modèles de satellites et les a placés dans des répliques de la catapulte. Les satellites ont été lancés avec succès à des intervalles de quelques secondes sans interférer les uns avec les autres, confirmant le succès de ce test préliminaire.
Cependant, l’équipe note que leurs recherches en sont encore à leurs débuts, et que des investigations plus poussées sont nécessaires avant d’envisager des tests à grande échelle ou une commercialisation. Les scientifiques explorent la possibilité d’utiliser d’autres matériaux couramment utilisés dans l’impression 3D, tels que les polymères et les métaux, dans leur dispositif.
Ils espèrent que cela permettra de libérer tout le potentiel de la technologie qu’ils ont développée, élargissant considérablement le champ de ses applications.
Référence : Guiwei Li et al., Biomimetic 4D Printing Catapult: From Biological Prototype to Practical Implementation, Advanced Functional Materials (2023), DOI: 10.1002/adfm.202301286.
