Nanomatériaux imprimés en 3D conçus par l'IA : plus résistants que l'acier, plus légers que la mousse

L'avenir du voyage spatial et de nombreuses autres industries dépendra de la capacité de l'humanité à développer des matériaux plus résistants, plus légers et plus facilement accessibles. De l'acier à la fibre de carbone, en passant par les matériaux nano-architecturaux les plus avancés d'aujourd'hui, la quête de composants durables et ultra-légers demeure une priorité dans de nombreuses disciplines scientifiques. Heureusement, une équipe de chercheurs dirigée par la Faculté des sciences appliquées et de génie de l'Université de Toronto a récemment présenté un nouveau procédé aux résultats prometteurs. Voici ce que vous devez savoir.

Matériaux nano-architecturés

En termes de haute performance, les matériaux nano-architecturés sont parmi les plus résistants. Ils utilisent diverses formes à l'échelle nanométrique pour créer des niveaux élevés de résilience. Ces formes sont répétées des centaines ou des milliers de fois. Cette configuration produit des conditions de charge uniques et des effets secondaires à l'échelle nanométrique qui ajoutent à leur résistance,

Depuis leur invention, de nombreuses versions de matériaux nano-architecturés ont été développées, chacune utilisant des formes et des tailles différentes, telles que des treillis, des gyroïdes, des nids d'abeilles et des géométries hybrides. Bien qu'il ait été prouvé que ces matériaux offrent une résistance accrue, cette technologie présente jusqu'à présent certains inconvénients.

Problème avec les matériaux nano-architecturaux d'aujourd'hui

L’un des principaux inconvénients des matériaux nano-architecturés actuels est qu’ils présentent des points de rupture et de défaillance difficiles. La structure de ces éléments et l’utilisation de formes de treillis standard signifient que les coins et les intersections sont soumis à des contraintes supplémentaires. Par conséquent, l’absence d’une répartition adéquate des contraintes peut entraîner des défaillances catastrophiques soudaines au niveau des nœuds et des jonctions.

Étude sur les matériaux nano-architecturés

Conscient de ces limites, un groupe de chercheurs a créé un algorithme d'apprentissage automatique unique pour rechercher et développer de nouvelles architectures possibles. L'étude intitulée Résistance spécifique ultra-élevée par optimisation bayésienne de nanoréseaux de carbone¹ a été publié dans Advanced Materials.

Cette étude représente la première fois que l’apprentissage automatique a été appliqué à la création de matériaux nano-architecturés. L’algorithme d’IA a notamment combiné divers aspects de la science des matériaux, de la chimie et de la mécanique pour modéliser avec précision les performances de différentes configurations, matériaux et formes. L’objectif de la recherche est de tirer parti de l’effet « plus petit, c’est plus fort » que procure le nanomatériau.

Source – Faculté des sciences appliquées et de génie de l’Université de Toronto

L’équipe a commencé ses opérations en exploitant l’algorithme d’apprentissage automatique d’optimisation bayésienne. Cet algorithme d’IA est idéal par rapport aux autres options en raison de son utilisation de moins de points de données. L’algorithme d’apprentissage automatique d’optimisation bayésienne ne nécessite que 400 points de données contre les milliers requis par d’autres algorithmes.

L'algorithme a analysé et testé différentes structures 3D complexes. Il a examiné des points de données clés tels que les emplacements de contrainte et la pression de rupture tout en enregistrant la caractérisation haute résolution de la structure atomique du carbone pyrolytique. Les données ont ensuite été utilisées pour optimiser la nouvelle structure afin d'améliorer encore le rapport résistance/poids.

Test de matériaux nano-architecturés

Pour tester leur théorie, les ingénieurs ont imprimé en 3D quatre modèles génératifs de réseaux cubiques à faces centrées (CFCC) avec des formes de faisceau optimisées à l'aide de l'imprimante 3D à polymérisation à deux photons située au Centre de recherche et d'application en technologies fluidiques (CRAFT). Cet appareil a permis la polymérisation multifocale multiphotonique. Plus précisément, les sujets de test imprimés étaient constitués de 18.75 millions de cellules de réseau de la taille d'un nanomètre.

Il convient de noter que le réseau utilisait une structure polymère acrylique qui a ensuite été chauffée pour réticuler le polymère en un carbone aromatique vitreux. Cette étape a permis de réduire la taille globale de 20 %. À partir de là, divers tests de pression ont été effectués.

Résultats des tests sur les matériaux nano-architecturés

Les tests ont démontré que les nouveaux matériaux nano-architecturés présentaient des améliorations de résistance grâce à l'optimisation des éléments de poutre par apprentissage automatique, au carbone pyrolysé de haute pureté et à la capacité de créer des diamètres de support à l'échelle nanométrique. Plus précisément, les nouvelles conceptions étaient entre 118 % et 68 % plus résistantes que leurs prédécesseurs.

Leur efficacité structurelle s'est également améliorée. Le test a montré une meilleure répartition des contraintes et du poids ainsi qu'un meilleur rapport résistance/poids que les modèles d'origine. Plus précisément, le nouveau matériau et la nouvelle conception ont doublé la résistance du modèle précédent, atteignant 03 MPa m3 kg−1 à faible densité.

Avantages des matériaux nano-architecturés

Les avantages de l'utilisation de conceptions optimisées bayésiennes et de carbone pyrolysé nano-architecturé sont facilement perceptibles au premier coup d'œil. Ces matériaux offrent plus de résistance, pèsent moins et peuvent être personnalisés pour répondre à une grande variété de besoins.

Solidité

Les nanomatériaux et la structure confèrent à ces matériaux ultra-légers un rapport résistance/poids supérieur à celui du titane. Ce matériau pourrait ainsi améliorer de nombreuses tâches industrielles et commerciales dans les années à venir.

Poids minimal

Les chercheurs ont conclu que leur création était aussi légère que du polystyrène, même si elle surpassait l'acier dans les tests de durabilité et de résistance. La clé de cette conception ultra-légère réside dans l'utilisation de matériaux et de composants de plus faible densité. Plus précisément, la réduction du diamètre des entretoises en nano-réseau à 300 nm produit un carbone haute résistance unique qui surpasse ses prédécesseurs.

Durabilité

Le nouveau matériau peut contribuer à réduire l'empreinte carbone élevée des avions dans d'autres secteurs qui dépendent de matériaux composites légers pour fonctionner. La réduction des matériaux dans le processus de fabrication se traduit directement par une durabilité accrue.

Personnalisation

Le procédé d'impression utilisé pour créer les matériaux signifie qu'ils peuvent être conçus pour s'adapter à presque tous les cas d'utilisation, formes ou tailles. Cette flexibilité accrue crée de nouvelles opportunités pour les ingénieurs de développer de meilleurs systèmes offrant des performances supérieures sur plusieurs spectres.

Chercheurs en matériaux nano-architecturés

Les recherches sur les matériaux nano-architectes ont été menées à la Faculté des sciences appliquées et de l'ingénierie de l'Université de Toronto. Elles ont été dirigées par le professeur Tobin Filleter (MIE). Il a bénéficié de l'aide de Peter Serles, du professeur Seunghwa et de Jinwook Yeo de l'Institut coréen des sciences et technologies avancées (KAIST) de Daejeon, en Corée du Sud.

Cette recherche est le fruit d’un effort collaboratif qui a réuni l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) en Allemagne, le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et l’Université Rice aux États-Unis, dans le cadre du programme International Doctoral Clusters.

Applications des matériaux nano-architecturés

Cette technologie offre de nombreuses applications potentielles. De l'aéronautique à l'automobile, la demande de matériaux légers et durables est forte. Voici quelques applications de ces nouveaux matériaux nano-architecturés.

Militaire

L'armée continue de rechercher des matériaux légers pour tout, de la construction de véhicules à la création de gilets pare-balles plus efficaces. Cette avancée technologique pourrait aider les soldats de demain à survivre plus efficacement dans les zones de guerre et à en faire plus.

Automobile

L'essor des véhicules électriques a donné lieu à une course aux matériaux les plus légers, les plus durables et les plus abordables. Cette recherche s'explique par le fait que l'autonomie des batteries des véhicules électriques est directement liée au rapport poids/puissance du véhicule. Réduire le poids des matériaux de construction des véhicules électriques permettra d'allonger considérablement les temps de conduite.

Industrie aerospatiale

Les matériaux nano-architecturés sont depuis longtemps utilisés comme composants ultra-légers dans les applications aérospatiales. Ce matériau est idéal pour créer des composants pour les avions, les hélicoptères et les engins spatiaux. Cette conception légère et cette construction composite permettent aux ingénieurs d'améliorer le rapport poids/poids/portance sans sacrifier la sécurité.

Les entreprises qui pourraient intégrer des matériaux nano-architecturés et en bénéficier

Les entreprises susceptibles de bénéficier de matériaux plus résistants et plus légers ne manquent pas. Ces entreprises couvrent l'ensemble du marché, des fabricants industriels aux développeurs d'équipements de protection et de sport. Voici une entreprise qui pourrait intégrer cette technologie dès aujourd'hui et en tirer des bénéfices immédiats.

Groupe TransDigm

TransDigme (TDG -0.72%) est entrée sur le marché en 1993. Elle a été fondée à Cleveland, dans l'Ohio, en tant que producteur de pièces d'avion. L'entreprise a rapidement étendu ses activités et ses offres, ce qui lui a permis de devenir un acteur majeur du marché.

Aujourd'hui, TransDigm est l'un des fabricants les plus reconnus de composants, systèmes et sous-systèmes aérospatiaux de haute technicité. L'entreprise a réussi à rester une force compétitive grâce à l'innovation et à plusieurs acquisitions de haut niveau.

L'introduction de matériaux nano-architecturés légers et durables développés par les chercheurs aiderait l'entreprise à créer des options plus durables. La réduction de poids et la résistance accrues se traduiraient par une plus grande valeur pour les consommateurs et de meilleures performances pour les fabricants.

TransDigm a actuellement une capitalisation boursière de 77.1 milliards de dollars. La société est considérée comme une valeur « à conserver » par la plupart des analystes en raison de son positionnement et de ses antécédents avérés. Ceux qui recherchent une action reconnue et établie dans le secteur de la fabrication aérospatiale devraient envisager d'examiner TDG.

Les matériaux nano-architecturés ont le potentiel de changer la donne

Lorsqu'on examine les améliorations majeures apportées par ces matériaux légers à de nombreux secteurs, on constate aisément qu'ils changent la donne. L'utilisation de matériaux plus légers et plus résistants modernisera de nombreux marchés et offrira aux ingénieurs des capacités accrues. Il convient donc de féliciter les ingénieurs pour leurs efforts.

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Référence de l'étude :

^{1. Serles, P., Yeo, J., Haché, M., Guerra Demingos, P., Kong, J., Kiefer, P., Dhulipala, S., Kumral, B., Jia, K., Yang, S., Feng, T., Portela, CM, Wegener, M., Howe, J., Singh, CV, Zou, Y., Ryu, S. et Filleter, T. (2025). Résistance spécifique ultra-élevée par optimisation bayésienne des nano-réseaux de carbone. Matériaux avancés, 37(5), 2410651. https://doi.org/10.1002/adma.202410651}