L'impression 4D ouvre la possibilité de produire par fabrication additive des objets « à comportement » : ceux-ci acquièrent la capacité à s'adapter à leur environnement ou sont programmés pour évoluer de manière contrôlée sous l'effet de stimuli externes (température, lumière, champ électrique ou magnétique, etc.).
Dans cette perspective, les chercheurs du LSI se sont intéressés en particulier à la fabrication de polymères magnéto-actifs en impression 3D.
Pour commencer, ils ont étudié systématiquement, à l'aide d'expériences et de simulations, les processus d'auto-assemblage en structures filaires de nanoparticules de magnétite (Fe3O4, jusqu'à 6 % en poids) au sein de résines photosensibles (uréthane-acrylate avec un diluant réactif d'acrylate de butyle). Les propriétés mécaniques des polymères peuvent ensuite être ajustées en modifiant la composition de la résine et la réponse magnétique peut être modulée en variant la charge en nanoparticules de la couche imprimée.
Une fois la configuration choisie, la résine photosensible est exposée à une source lumineuse (UV ou visible) sous champ magnétique. Sa photo-polymérisation fige les micro-fils magnétiques et dote la couche imprimée d'une anisotropie magnétique suivant une direction bien déterminée. Cette propriété peut ensuite être exploitée pour contrôler le comportement de l'objet macroscopique imprimé (pliage-dépliage, rotation, etc.).
En pratique, les scientifiques ont modifié une imprimante 3D commerciale à traitement numérique de la lumière (DLP) afin d'appliquer un champ magnétique d'intensité et direction variables pour chaque couche d'impression 3D.
Ils ont ainsi fabriqué une série d'objets « à comportement programmé », comme des actionneurs effectuant des rotations ou des flexions sur commande. Ils ont aussi combiné des roues magnétiques à des éléments non magnétiques pour créer des assemblages complexes, tels que des actionneurs linéaires ou des pinces actives.
La prochaine étape de ce travail consistera à introduire de nouvelles espèces chimiques au sein de la résine photosensible, afin d'imprimer un matériau multifonctionnel, possédant à la fois des propriétés magnétiques et plasmoniques (résonances électroniques).
Par ailleurs, ils s'attacheront à transposer ce protocole de fabrication additive à des objets de plus grande taille (micrométrique), tels que les métamatériaux, en utilisant l' « impression à deux photons ». Ce nouveau projet (Quattro-D) sera financé par le Programme transversal des compétences 2021 du CEA. Ce sera, à proprement parler, le premier projet d'impression 4D au CEA .
Ce travail a été effectué en collaboration avec le Politecnico di Torino (Italie) et CentraleSupelec (Université Paris Saclay).