Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont conçu une nouvelle classe de structures en treillis imprimées en 3D qui combinent légèreté et rigidité élevée, malgré la violation d'une règle que l'on pensait auparavant nécessaire pour présenter de telles propriétés. L'une des nouvelles structures affiche en outre une réponse parfaitement uniforme aux forces dans toutes les directions.

Comme décrit dans un article publié aujourd'hui par Avancées scientifiques , une équipe LLNL co-dirigée par l'ingénieur Seth Watts a utilisé le logiciel d'optimisation de la topologie que Watts a écrit pour créer deux conceptions de cellules unitaires uniques composées de fermes micro-architecturées, dont l'un a été conçu pour avoir des propriétés matérielles isotropes (identiques et omnidirectionnelles). Ces nouvelles structures ont ensuite été fabriquées et testées, et se sont avérés plus performants que le treillis d'octet, un motif géométrique standard pour les structures en treillis imprimées en 3D.

A la surprise des chercheurs, les fermes semblaient violer le critère de Maxwell, une théorie de la rigidité structurelle utilisée dans la conception mécanique qui postule que les structures porteuses les plus efficaces se déforment uniquement par étirement. Dans de telles structures, la rigidité évolue de manière linéaire avec la densité - la réduction du poids de la structure de moitié ne réduit sa rigidité que de moitié, par opposition à des structures moins performantes dont la rigidité serait réduite des trois quarts ou des sept huitièmes. Cette mise à l'échelle linéaire permet la création d'ultra-légers, métamatériaux mécaniques ultra-rigides.

"Nous avons trouvé deux fermes qui ont une mise à l'échelle linéaire de la rigidité avec la densité lorsque la sagesse conventionnelle - cette règle du critère de Maxwell - n'est pas satisfaite, " Le co-auteur principal Watts a expliqué. " On pensait que le critère de Maxwell était à la fois nécessaire et suffisant pour montrer que vous aviez une rigidité élevée à faible densité. Nous avons montré que ce n'est pas une condition nécessaire. En d'autres termes, il existe une plus grande classe de fermes qui ont cette propriété de mise à l'échelle linéaire.

"Cela montre que ce qui était l'orthodoxie précédente n'est pas ferme, " Watts ajouté. " Il y a des exceptions, et les exceptions peuvent en fait vous procurer de meilleures propriétés."

Grâce à un procédé d'impression 3D par micro-stéréolithographie par projection, qui utilise la lumière projetée sur une résine polymère photosensible pour construire des objets couche par couche, l'équipe LLNL a construit des structures avec une cellule unitaire octaédrique et cubique rectifiée (ORC) répétitive conçue pour être plus rigide qu'un treillis d'octets de densité égale, et avec une structure cellulaire unitaire oblate et quasi-sphérique répétitive (OQSO) conçue pour être parfaitement isotrope, de sorte que sa réponse mécanique est uniforme quel que soit l'endroit où une charge est appliquée. Les conceptions ont ensuite été validées expérimentalement.

Les chercheurs ont déclaré qu'en raison de leur réponse uniforme, les réseaux isotropes peuvent être placés arbitrairement par rapport à des charges connues, voire inconnues, permettre aux ingénieurs de produire des structures plus rigides que celles construites avec d'autres types de fermes telles que la conception octet, qui est aussi ultra-rigide mais seulement dans certaines directions.

"La ferme isotrope vous permet de ne pas tenir compte de la direction de la charge dans un scénario de cas d'utilisation, " a déclaré le co-auteur de l'article Chris Spadaccini, directeur du Centre des matériaux d'ingénierie et de fabrication de LLNL. "Par exemple, vous n'auriez plus à vous soucier de l'angle d'où proviennent les charges. Ce travail montre vraiment qu'il existe une nouvelle méthode qui peut vous permettre d'obtenir de meilleures performances, mais qui n'a pas été explorée car elle viole les idées reçues."

Les chercheurs ont déclaré que le travail prouve également qu'en utilisant l'optimisation de la topologie, les ingénieurs peuvent concevoir de nouvelles structures qui surpassent celles créées avec des approches traditionnelles de « conception par règle ».

Le co-auteur principal Wen Chen a dirigé les travaux d'essais expérimentaux et mécaniques pendant un post-doctorat au LLNL et est maintenant professeur adjoint de génie mécanique à l'Université du Massachusetts à Amherst. Chen a testé les échantillons à différentes densités pour voir ce qui se passerait lorsqu'ils étaient compressés à différents angles pour valider leurs propriétés isotropes. Chen a déclaré qu'il était surpris par les résultats et que la recherche avait "amélioré la promesse" de remplacer la conception classique en treillis d'octet.

« Cela montre que vous pouvez utiliser cet outil de calcul pour concevoir la structure afin d'atteindre vos performances cibles. Cela ouvre un nouveau mode de conception pour les matériaux architecturés, " dit Chen. " Deuxièmement, il améliore l'efficacité mécanique de la conception architecturée. Pour les environnements où vous pouvez avoir des états de stress complexes, vous voulez qu'il soit aussi isotrope que possible. Cela étend l'application de nos treillis car dans une application réelle, vous avez souvent besoin d'un matériau pouvant supporter un chargement dans plusieurs directions. »

Le travail fait partie d'un effort continu au LLNL pour utiliser des approches informatiques pour optimiser la conception de pièces imprimées en 3D. Watt, qui travaille sous le Centre de conception et d'optimisation de LLNL, a déclaré que les structures isotropes ont été entièrement conçues par modélisation informatique. Les nouveaux dessins, ainsi que les algorithmes utilisés pour les développer, sont incorporés dans le code Livermore Design Optimization (LiDO) pour rendre ces avancées disponibles pour d'autres domaines programmatiques du Lab. Par exemple, les chercheurs ont déjà utilisé cette approche pour développer une cellule unitaire sur mesure pour les applications du National Ignition Facility.

Les chercheurs ont déclaré que les fermes isotropes pourraient être étendues aux métaux et céramiques imprimés en 3D et s'avérer utiles partout où elles sont rigides, pourtant un matériau léger est nécessaire, comme dans les applications biologiques comme les tissus imprimés en 3D, où la rigidité réglable est essentielle. Le domaine aérospatial exige également ces propriétés. Dans des drones ou des avions de chasse, par exemple, la réduction du poids structurel a le double avantage d'augmenter la maniabilité et de réduire les forces d'inertie, permettant des performances extrêmes.

Les conceptions légères pourraient également réduire les coûts de production, consommation de carburant et déchets de matériaux, et ont une foule d'autres avantages à mesure que les ingénieurs évoluent vers des structures plus optimisées, dit Watts. Les chercheurs ont ajouté que le dernier article est l'un des nombreux efforts simultanés du LLNL pour concevoir une nouvelle bibliothèque de cellules unitaires avec des propriétés spécifiquement adaptées aux missions de laboratoire.

"Nous voulons étendre l'espace de conception au-delà des conceptions intuitives, " a déclaré Spadaccini. " L'espoir à long terme est que nous nous éloignions de la simple sélection de la dernière conception de treillis dans la littérature et que nous passions à la création et à l'utilisation de notre propre bibliothèque de matériaux. Nous pouvons utiliser ces méthodes pour nos besoins spécifiques, et les matériaux fonctionneront mieux en conséquence. Finalement, nous aimerions que nos analystes techniques de LLNL l'utilisent comme s'il s'agissait d'un outil de conception."

Watts et son équipe poursuivent leurs travaux pour inclure une caractérisation plus complète des structures en treillis, considérer la physique au-delà de l'élasticité linéaire, y compris le transfert de chaleur, mécanique non linéaire, vibrations et pannes. La compréhension de leur réponse à travers une gamme de phénomènes permet une conception plus précise des structures multi-échelles construites à l'aide de ces nouveaux métamatériaux.