Thèse - Impression 4D Robotisée d'Interfaces à Changement de Forme H/F CNRS

La proposition de projet aborde un domaine émergent, ambitieux et interdisciplinaire de la recherche scientifique : l'impression 4D. En combinant la fabrication additive (AM) et des matériaux actifs qui réagissent à des stimuli énergétiques (pH, température, lumière, humidité, champ électrique/magnétique, etc.), l'impression 4D permet de créer des objets ou des structures capables de modifier leur forme et/ou leurs propriétés au fil du temps. Depuis son émergence en 2013 au Massachusetts Institute of Technology et à l'Université du Colorado avec le Professeur Qi (désormais à Georgia Institute of Technology), ce domaine a connu des avancées majeures, illustrées par de nombreuses preuves de concept démontrant la diversité des comportements et matériaux pour des applications futures dans la matière programmable et les structures transformables. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans le contrôle des dimensions spatiales et temporelles de la matière, l'étape cruciale reste la transformation de ces avancées en applications démonstratives et pratiques. Pour y parvenir, le projet ARTEMIS - financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre de l'Initiative France 2030 et du programme DIADEM [5] - vise à étudier diverses classes de matériaux actifs, notamment les hydrogels, les polymères à mémoire de forme, les alliages à mémoire de forme, et les élastomères à cristaux liquides composites (LCEs). Ces matériaux seront exploités pour développer des démonstrateurs fonctionnels destinés à divers secteurs d'application tels que le biomédical, l'aérospatial, et au-delà. Pour cela, une architecture d'intelligence artificielle neuro-symbolique combinant apprentissage automatique et raisonnement logique (souvent appelée informatique des matériaux et du design) est en cours de développement, afin d'accélérer la découverte et le développement de ces matériaux et structures. Cette approche renforce à la fois la simulation prédictive et la conception inverse, optimisant la composition et la disposition des matériaux dans l'espace de conception 3D. Dans le cadre de cette collaboration entre unités de recherche du CNRS et du CEA, plusieurs techniques de fabrication additive sont explorées : fusion sur lit de poudre, projection à froid, DLP, stéréolithographie (SLA), polymérisation à deux photons, et écriture directe d'encre (DIW), afin de fabriquer des matériaux actifs calculés et des structures intelligentes. Ces techniques avancées de fabrication additive offrent une grande diversité de capacités de dépôt de matériaux pour la création de formes 2D à 3D et de structures à géométrie variable. Cependant, elles présentent des limitations critiques lorsqu'il s'agit de produire des surfaces libres et lisses répondant à des spécifications fonctionnelles. Surmonter ces limites nécessite de dépasser l'approche traditionnelle de dépôt par couches successives afin d'améliorer la qualité de surface et la précision de fabrication. Au-delà de la planéité des surfaces, un autre défi consiste à contrôler les changements de surface par l'intégration de réseaux actifs, ce qui augmente la complexité d'impression, notamment en termes de géométries, d'incompatibilités de matériaux et d'adhésion intermatériaux. Ces défis sont accentués par le comportement anisotrope de la plupart des matériaux actifs au niveau voxel, sauf pour certains hydrogels composites ou matériaux à fort coefficient de dilatation thermique, ce qui impose une orientation spécifique du dépôt pour des performances optimales. Pour relever ces défis, des avancées récentes en DIW, telles que l'impression multi-axes, l'impression rapide en milieu liquide (RLP), l'impression 3D intégrée (E3DP), ou encore l'impression 3D en forme libre dans un liquide (FL3DP), offrent une flexibilité accrue pour façonner des géométries complexes. Ces dernières exploitent le DIW pour déposer les matériaux dans un milieu gélifié réutilisable servant de support temporaire, permettant ainsi la fabrication de structures 3D/4D sans support. Le processus est ensuite suivi d'étapes de réticulation photo- ou thermo-induite, assurant la stabilité structurelle et fonctionnelle. L'utilisation de plusieurs réservoirs DIW dans un processus séquentiel permet en outre la création de structures 3D/4D multi-matériaux, élargissant ainsi le champ des applications fonctionnelles possibles. Cependant, l'impression de surfaces actives en forme libre requiert bien plus qu'un simple dépôt multi-matériaux. Elle exige une stratégie de dépôt exploitant l'anisotropie des matériaux et assurant un flux continu dans toutes les directions. Au-delà de la décomposition géométrique couche par couche, une planification avancée des trajectoires de dépôt dans l'espace tridimensionnel est nécessaire pour garantir des transitions homogènes entre les matériaux et les éléments structurels. La résolution de ces défis est essentielle pour faire progresser les capacités et la polyvalence de l'impression 3D/4D vers des interfaces fonctionnelles, libres et à changement de forme, avec des applications potentielles dans le textile, le biomédical, l'architecture, les dispositifs mobiles, ou encore le spatial.

La recherche vise à créer des interfaces à changement de forme en faisant progresser les capacités de DIW afin de permettre le dépôt multi-matériaux d'encres, de résines ou de pâtes fonctionnelles dans toutes les directions au sein d'un gel à contrainte de seuil utilisé comme support temporaire, au moyen d'un bras robotisé à 6 axes et de multiples aiguilles. Après dépôt, les structures intégrées subiront des processus de solidification adaptés à la nature des matériaux (élastomères, céramiques, etc.), pouvant impliquer la réticulation UV instantanée, l'exposition UV globale, le traitement thermique, le déliantage/sintérisation, ou des combinaisons de ces méthodes. Le choix de la stratégie de solidification est crucial pour atteindre les propriétés mécaniques et fonctionnelles souhaitées. Contrairement aux systèmes DIW conventionnels ou à la technique FL3DP récemment développée, fonctionnant sur coordonnées cartésiennes fixes avec une seule aiguille, une plateforme robotisée introduit des défis de contrôle du mouvement nécessitant le développement d'un algorithme de trajectoire adaptatif. Cet algorithme devra assurer un dépôt continu et homogène tout en minimisant les défauts sur des géométries complexes. Les progrès récents dans le pilotage fluide des têtes d'impression DIW serviront de base à ce développement. Afin d'améliorer la précision du dépôt et la polyvalence des matériaux, la recherche intégrera des systèmes de surveillance en temps réel, basés sur la vision artificielle, capables d'ajuster dynamiquement les paramètres d'impression. Pour ce faire, nous utiliserons des algorithmes d'apprentissage par renforcement et d'optimisation afin d'améliorer l'efficacité des trajectoires via un contrôle en boucle fermée, comme démontré pour le DIW. Le contrôle de l'épaisseur du matériau extrudé est également stratégique et dépend de plusieurs facteurs : viscosité, comportement rhéofluidifiant, pression d'extrusion, diamètre de l'aiguille et vitesse d'impression. Des travaux récents se sont concentrés sur l'utilisation de buses adaptatives pour ajuster la densité et l'épaisseur du matériau, de buses multicanaux et de canaux creux avec mélangeur statique pour le dépôt multi-matériaux.

Le dépôt multi-matériaux peut compliquer le contrôle, car les variations de rhéologie, de cinétique de polymérisation et d'adhésion interfaciale affectent la printabilité et l'intégrité structurelle. Pour garantir une forte adhésion entre matériaux, la recherche examinera les interactions chimiques et mécaniques, en se concentrant sur le comportement de réticulation, l'énergie de surface et les propriétés de diffusion afin de limiter les risques de délamination ou de réactions chimiques indésirables. De plus, des stratégies de liaison hybrides, telles que des verrouillages mécaniques ou des transitions de matériaux graduées, seront explorées pour améliorer la cohésion intermatériaux. Plusieurs encres - notamment les LCEs, silicones et polymères résistifs - seront étudiées, ajustées selon leur sensibilité aux stimuli et leur compatibilité, puis combinées pour créer plusieurs interfaces à changement de forme illustrant les capacités de la technique proposée. Les premières applications se concentreront sur la conception de réservoirs morphables pour le génie biomédical. Pour démontrer la polyvalence de la technique, un autre défi sera exploré : l'impression de matériaux céramiques à formes et surfaces complexes. Des travaux récents ont montré la possibilité de déposer par DIW des pâtes précéramiques photo-réticulées couplées à des matériaux actifs tels que les hydrogels. La forme libre « verte » finale est obtenue par activation thermique de l'hydrogel.
D'autres ont introduit une étape de contrainte mécanique durant l'impression afin d'induire un changement de forme des céramiques dérivées de polymères sous l'effet de la température. Pour ces approches, les étapes de déliantage et de frittage permettent d'obtenir la pièce finale. Dans notre cas, le frittage éliminera simultanément le gel de support. La barbotine sera préparée en combinant de manière homogène des poudres céramiques fines avec des liants.
Contexte de travail
La thèse sera encadrée par plusieurs organismes et laboratoires: UTBM (ICB), University of Montpeller (ICGM), CEA (Le Ripault), Sorbonne Université/Collège de France (LCMCP). Durant les 3 années, un séjour de 6 mois à Georgia Institute of Technology (USA) sera financé pour renforcer les compétences du/de la candidat(e) avec l'inventeur de l'impression 4D.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
Contraintes et risques
Il est demandé une expérience en robotique, mécatronique, programmation et mécanique