Les panneaux composites qui prennent en sandwich un noyau interne poreux entre deux feuilles externes solides sont de plus en plus utilisés dans les avions pour réduire le poids tout en maintenant la rigidité structurelle. Une étude menée par A*STAR pourrait aider d'autres industries à exploiter les avantages des panneaux sandwich en utilisant l'impression tridimensionnelle (3-D) pour générer des structures de noyau optimisées pour différentes charges mécaniques.

De nombreux panneaux sandwich existants ont des noyaux inspirés des cellules hexagonales efficacement emballées à l'intérieur des ruches. Récemment, les chercheurs ont étudié des stratégies pour minimiser le poids des noyaux en construisant des cadres en forme de treillis maintenus ensemble par des poutres minces connues sous le nom de fermes. Mais empêcher ces fermes de se déformer ou de se déformer prématurément est toujours un défi permanent.

Une façon surprenante dont les ingénieurs s'attaquent à ce problème est de passer des fermes normalement droites à celles avec des bosses, vagues, et d'autres caractéristiques irrégulières. "Les variations de diamètre permettent un épaississement local là où se produisent les moments de flambement les plus élevés, tout en réduisant l'épaisseur dans d'autres zones le long des fermes, " explique Stefanie Feih du Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) chez A*STAR. " On peut donc garder la même masse, mais augmente considérablement la résistance au flambage."

En collaboration avec des chercheurs de la National University of Singapore (NUS) et de la Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), Feih et ses collègues ont développé une méthode pour identifier les types les plus solides de fermes non uniformes. Ils y sont parvenus en utilisant des techniques mathématiques pour caractériser des surfaces complexes en tant que variables simples :le lissé d'une surface, par exemple, ou la fréquence d'une forme récurrente. Un algorithme de calcul calcule ensuite la résistance au flambement de différentes fermes géométriques, et suggère des candidats en fonction des paramètres de conception d'entrée.

Lei Zhang, un doctorat étudiant à NUS qui a aidé à diriger l'étude, note qu'avec seulement quelques variables d'optimisation, cette méthode peut être facilement mise à l'échelle au-delà de simples formes unidimensionnelles. Pour le démontrer, les chercheurs ont modélisé une structure 3D, connu sous le nom de réseau de Kagome, où les fermes en forme d'étoile ont des bras qui s'étendent dans six directions différentes. Leurs simulations ont isolé une structure bosselée avec une résistance au flambement supérieure de 20 % à celle des fermes uniformes du même poids.

Parce que les technologies de fabrication commerciales sont orientées vers la production d'articles uniformes, l'équipe s'est tournée vers la fabrication additive pour générer un prototype de panneau sandwich à partir de la structure en treillis Kagome de forme optimale. Le noyau imprimé en 3D qui en résulte a validé les prédictions du modèle, préparer le terrain pour les futures applications industrielles.

« Les conceptions actuelles des structures en treillis ne tirent pas pleinement parti des possibilités de la fabrication additive, " dit Feih. "Notre travail met en évidence le potentiel de conceptions multifonctionnelles sur mesure, en combinant, par exemple, exigences mécaniques et thermiques en un seul composant."