Une nouvelle forme de matériau imprimé en 3D fabriqué en combinant des plastiques couramment utilisés avec des nanotubes de carbone est plus résistant et plus léger que des formes similaires d'aluminium, disent les scientifiques.

Le matériau pourrait conduire au développement de produits plus sûrs, des structures plus légères et plus durables pour une utilisation dans l'aérospatiale, automobile, énergies renouvelables et industries marines.

Dans un nouvel article publié dans la revue Matériaux et conception , une équipe dirigée par des ingénieurs de l'Université de Glasgow décrit comment ils ont développé un nouveau métamatériau cellulaire en réseau à plaques capable d'une résistance impressionnante aux impacts.

Les métamatériaux sont une classe de solides cellulaires créés artificiellement, conçu et conçu pour manifester des propriétés qui ne se produisent pas dans le monde naturel.

Une forme de métamatériaux, connu sous le nom de plaques en treillis, sont des structures cubiques constituées de couches de plaques entrecroisées qui présentent une rigidité et une résistance exceptionnellement élevées, malgré un espace important entre les plaques. Ces espaces, qui sont une propriété que les ingénieurs appellent porosité, rend également les treillis à plaques exceptionnellement légers.

Les chercheurs ont cherché à déterminer si de nouvelles formes de conception de plaques en treillis, fabriqué à partir d'un composite plastique-nanotube qu'ils ont développé, pourrait faire un métamatériau avec des propriétés de rigidité encore plus avancées, force et ténacité.

Leur composite utilise des mélanges de polypropylène et de polyéthylène - à faible coût, les plastiques réutilisables largement utilisés dans les articles de tous les jours comme les sacs et bouteilles en plastique, et les nanotubes de carbone à parois multiples, minuscules filaments construits à partir d'atomes de carbone.

Ils ont utilisé leur composite de filaments nanotechnologiques comme matière première dans une imprimante 3D qui a fusionné les filaments ensemble pour créer une série de conceptions de plaques en treillis. Ces conceptions ont ensuite été soumises à une série de tests d'impact en laissant tomber une masse de 16,7 kg à partir d'une plage de hauteurs pour déterminer leur capacité à résister aux chocs physiques.

D'abord, l'équipe a testé trois types de réseaux de plaques typiques qu'ils ont conçus et construits :un simple cube formé à partir de l'intersection de trois plaques, un cube plus complexe avec des plaques sécantes supplémentaires, et une conception plus multiforme. Ces plaques en treillis typiques ont été fabriquées en deux lots, l'un en polypropylène et l'autre en polyéthylène.

Puis, ils ont testé trois autres réseaux de plaques « hybrides » qui incorporaient des caractéristiques des conceptions les plus simples des premières expériences :un hybride cube simple/cube complexe, un simple hybride cube/multifacette et un qui a fusionné les trois. De nouveau, des lots à base de polypropylène et de polyéthylène ont été fabriqués.

La conception hybride qui a fusionné les éléments des trois conceptions typiques de plaques en treillis s'est avérée la plus efficace pour absorber les impacts, avec la version en polypropylène présentant la plus grande résistance aux chocs. En utilisant une mesure connue sous le nom d'absorption d'énergie spécifique, que les scientifiques utilisent pour déterminer la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie par rapport à sa masse, l'équipe a découvert que le réseau de plaques hybrides en polypropylène pouvait supporter 19,9 joules par gramme, une performance supérieure par rapport aux métamatériaux micro-architecturés de conception similaire à base d'aluminium.

Dr Shanmugam Kumar, Lecteur en Composites et Fabrication Additive à la James Watt School of Engineering, dirigé le projet de recherche. L'équipe de recherche a également impliqué des ingénieurs en mécanique et en chimie de l'Université Khalifa à Abu Dhabi et de l'Université Texas A&M à College Station aux États-Unis.

Le Dr Kumar a déclaré :« Ce travail se situe juste à l'intersection de la mécanique et des matériaux. L'équilibre entre les filaments de nanostructure de carbone que nous avons développés comme matière première pour l'impression 3D, et les conceptions hybrides de plaques et de réseaux composites que nous avons créées, a produit un résultat vraiment excitant. Dans la poursuite de l'ingénierie légère, il y a une recherche constante de matériaux ultra-légers et performants. Nos réseaux de plaques hybrides nano-conçus atteignent des propriétés de rigidité et de résistance extraordinaires et présentent des caractéristiques d'absorption d'énergie supérieures par rapport à des réseaux similaires construits avec de l'aluminium.

« Les progrès de l'impression 3D rendent plus facile et moins coûteux que jamais la fabrication des types de géométries compliquées avec une porosité sur mesure qui sous-tendent notre conception de plaques et de réseaux. La fabrication de ce type de conception à l'échelle industrielle devient une réelle possibilité.

"Une application pour ce nouveau type de treillis plat pourrait être dans la fabrication automobile, où les concepteurs s'efforcent perpétuellement de construire des carrosseries plus légères sans sacrifier la sécurité lors des accidents. L'aluminium est utilisé dans de nombreux modèles de voitures modernes, mais notre treillis à plaques offre une plus grande résistance aux chocs, ce qui pourrait le rendre utile dans ce genre d'applications à l'avenir.

« La recyclabilité des plastiques que nous utilisons dans ces treillis en plaques les rend également attrayants alors que nous nous dirigeons vers un monde net zéro, où les modèles économiques circulaires seront essentiels pour rendre la planète plus durable."

Le papier de l'équipe, intitulé « Comportement d'impact de la nano-ingénierie, Plaques-réseaux imprimées en 3D, " est publié dans Matériaux et conception .