Les plaques-réseaux seront la conception de choix pour les futurs matériaux poreux légers. Crédit :ETH Zurich / Marc Day
Les chercheurs de l'ETH ont développé et fabriqué une famille d'architectures qui maximisent la rigidité des matériaux légers poreux. Il est pratiquement impossible de développer des conceptions plus rigides.
L'impression 3D et d'autres techniques de production additive permettent de fabriquer des matériaux avec des structures internes d'une complexité auparavant inimaginable. Ceci est intéressant pour la construction légère, trop, car il permet le développement de matériaux qui ont la plus grande part possible de vides intérieurs (pour rendre les matériaux aussi légers que possible) mais qui sont simultanément aussi robustes que possible. Pour y parvenir, il faut que les structures internes soient intelligemment organisées pour une efficacité maximale.
Une équipe de recherche de l'ETH Zurich et du MIT dirigée par Dirk Mohr, Professeur de modélisation informatique des matériaux dans la fabrication, a développé et fabriqué des architectures matérielles également fortes dans les trois dimensions, et qui sont simultanément extrêmement rigides.
Il est possible de déterminer mathématiquement à quel point les matériaux avec des vides internes peuvent théoriquement devenir rigides; Les structures de Mohr se sont avérées extrêmement proches de cette rigidité maximale théorique. En d'autres termes, il est pratiquement impossible de développer d'autres structures matérielles plus rigides pour un poids donné.
Plaques remplaçant les fermes
Une caractéristique de la conception est que la rigidité à l'intérieur du matériau est obtenue grâce à des plaques en treillis plutôt qu'à des fermes.
Cette structure est l'une des plus rigides jamais construites. Crédit :Tancogne-Dejean T et al. Matériaux avancés 2018
« Le principe des fermes est très ancien; il a longtemps été utilisé pour les maisons à pans de bois, ponts en acier et tours en acier, comme la Tour Eiffel.
Nous pouvons voir à travers les treillis en treillis, ils sont donc souvent perçus comme des structures légères idéales, " dit le professeur Mohr. " Cependant, à l'aide de calculs informatiques, théorie et mesures expérimentales, nous avons maintenant établi une nouvelle famille de structures en plaques-treillis qui sont jusqu'à trois fois plus rigides que les treillis en treillis de même poids et volume" (Voir encadré.) Et ce n'est pas seulement la rigidité (résistance à la déformation élastique) de ces structures qui se rapprochent des valeurs maximales théoriques :leur résistance (résistance à la déformation irréversible) le fait, trop.
Les chercheurs de l'ETH ont initialement développé ces réseaux sur ordinateur, calculer leurs propriétés dans le processus. Ensuite, ils les ont produits à l'échelle micrométrique à partir du plastique jusqu'à l'impression 3D. Mohr souligne, cependant, que les avantages de cette conception sont universellement applicables - pour tous les matériaux constitutifs et également à toutes les échelles de longueur, du très petit (de la taille du nanomètre) au très grand.
Exemple de treillis en plaques de polymère fabriqué de manière additive (à gauche) et d'un treillis en treillis (à droite). Le cube de gauche est constitué de plaques mesurant seulement 2 micromètres d'épaisseur. Les deux cubes ont une longueur de bord de 0,2 millimètre. Crédit :Tancogne-Dejean T et al. Matériaux avancés 2018
En avance sur leur temps
Mohr et son équipe de recherche sont en avance sur leur temps avec ces nouveaux treillis :à l'heure actuelle, la fabrication avec l'impression 3D est encore relativement chère. « Si ces types de treillis devaient être fabriqués de manière additive à partir d'acier inoxydable aujourd'hui, ils coûteraient autant au gramme que l'argent, " dit Mohr. " Mais la percée viendra lorsque les technologies de fabrication additive seront prêtes pour la production de masse. Construction légère, dont le coût actuel limite son utilisation pratique à la construction aéronautique et aux applications spatiales, pourrait alors également être utilisé pour un large éventail d'applications dans lesquelles le poids joue un rôle." En plus d'alléger les structures, les nombreux vides réduisent également la quantité de matières premières nécessaires, et donc aussi les coûts matériels.
Lorsqu'il s'agit de supporter des charges dans les trois dimensions (par le haut ou par le bas, gauche ou droite, et arrière ou avant), les treillis en plaques ont un net avantage sur les treillis en treillis. L'expérience de pensée suivante aide à comprendre cela :Imaginez deux cubes avec des parois extérieures très minces. À l'intérieur se trouvent des entretoises pour empêcher les cubes d'être comprimés lorsqu'une pression externe est appliquée. Un cube utilise des fermes, et l'autre, plaques (voir figure). Dans les deux cas, le volume de matière, et donc le poids de la structure intérieure, est identique. Si une force est appliquée à la structure en treillis (centre) par le haut, l'un des trois goujons (jaune) porte cette force. Les deux autres entretoises (bleues) ne contribuent pas à la stabilité, mais ils sont nécessaires au cas où la force viendrait d'une autre direction. Si, en revanche, la force est appliquée au treillis de la plaque (à droite) par le haut, deux des trois plaques contribuent à sa stabilité (les jaunes). Cette forme fait un meilleur usage des entretoises internes, est donc plus efficace. Crédit :ETH Zurich
Il n'y a pas de limite aux applications potentielles, dit Mohr. Implants médicaux, les boîtiers d'ordinateurs portables et les structures de véhicules ultralégers ne sont que trois exemples parmi tant d'autres. "Quand le moment sera venu, dès que des matériaux légers sont fabriqués à grande échelle, " Mohr dit, "ces réseaux de plaques périodiques seront la conception de choix."
