Éponge des profondeurs inspire une structure en treillis super-renforcée pour l’ingénierie

Une équipe d’ingénieurs du Centre d’innovation de structures et de matériaux de RMIT a utilisé la biomimétique pour développer une structure en treillis super-renforcée qui offre des performances améliorées par rapport aux options traditionnelles à base de nid d’abeille.

Inspirée par l’éponge des profondeurs, le panier de fleurs de Vénus, la conception utilise des millions d’années d’évolution pour optimiser l’auxéticité, la rigidité et l’absorption d’énergie. Voici comment cette structure en treillis ultra-renforcée pourrait être la clé pour débloquer les bâtiments de nouvelle génération, les procédures médicales et bien plus encore.

Comprendre les matériaux auxétiques

Pour comprendre l’importance de ce développement, il est essentiel de comprendre le rôle crucial que jouent les matériaux auxétiques dans les applications naturelles et artificielles. Ces matériaux diffèrent des objets traditionnels qui se compressent lorsqu’ils sont comprimés ou s’allongent lorsqu’ils sont étirés.

Au lieu de cela, les matériaux auxétiques présentent une contraction latérale sous compression. Cette caractéristique les rend idéaux pour les applications où il est nécessaire d’absorber et de distribuer efficacement l’énergie d’impact. Notamment, il existe des versions naturelles de matériaux auxétiques comme les tendons musculaires, et des exemples artificiels, comme les stents cardiaques qui doivent s’adapter aux exigences de pression vasculaire.

L’évolution des conceptions auxétiques

Au fil des ans, il y a eu beaucoup de recherche et de développement pour créer les matériaux auxétiques les plus efficaces. Certaines conceptions actuelles incluent des structures chirales, des nids d’abeille en étoile, des structures de corps rigide rotatif, des auxétiques multi-matériaux et des nids d’abeille réentrants. Parmi ces options, les nids d’abeille hexagonaux réentrants sont les plus prometteurs.

Le nid d’abeille hexagonal réentrant : une approche traditionnelle

La conception du nid d’abeille hexagonal réentrant a été bio-inspirée des nids d’abeille. Elle a été développée en 1982 et présente des nervures diagonales qui se déplacent vers l’intérieur sous compression, raidissant la conception.

Depuis lors, la conception a été améliorée avec l’ajout de nervures supplémentaires pour améliorer les performances. Cependant, il existe encore de nombreux inconvénients à la disposition du nid d’abeille en termes de flexibilité, de coûts de production et de performances globales.

Améliorer les structures en treillis : l’étude BLS

Reconnaissant les limites dans ce domaine émergent, une équipe de chercheurs de l’Université RMIT a développé une conception auxétique propriétaire qui peut surpasser ses prédécesseurs dans tous les domaines. Le rapport “Comportement auxétique et caractéristiques d’absorption d’énergie d’une structure en treillis inspirée de l’éponge des profondeurs“¹ publié dans Composite Structures met en évidence comment la nouvelle conception a été inspirée par la structure squelettique d’une éponge des profondeurs et est capable de surpasser les nids d’abeille hexagonaux réentrants de 13 fois.

Le panier de fleurs de Vénus : le plan naturel

L’éponge des profondeurs Euplectella Aspergillum, collectivement appelée panier de fleurs de Vénus, a l’une des structures squelettiques les plus durables et uniques de la nature. L’éponge présente une structure squelettique en treillis composée d’éléments vitreux appelés spicules qui forment une grille carrée.

Source – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

La grille est renforcée par des nervures en treillis double qui donnent à la structure un aspect d’échiquier avec des carrés alternés remplis. Ces cellules ouvertes et fermées fournissent à l’animal des propriétés mécaniques uniques, notamment une rigidité sans précédent et une absorption d’énergie de haute performance.

Construire un modèle 3D de la structure en treillis bio-inspirée

Les ingénieurs ont construit un modèle 3D pour démontrer leurs découvertes et tester leurs théories. Leur structure en treillis cubique centrée 3D a été imprimée à partir de polyuréthane thermoplastique. Elle comprenait neuf cellules carrées disposées dans une grille 3 × 3. Avec intérêt, l’équipe a noté que seule, chaque treillis présentait un comportement de déformation. Cependant, lorsqu’ils étaient combinés, le matériau présentait des actions auxétiques.

Simulations informatiques : affiner la conception BLS

L’étape suivante consistait à utiliser les données des tests pour créer des simulations informatiques. Cette manœuvre permet aux ingénieurs d’améliorer leur taux de test et d’essayer des formes et des conceptions plus exotiques sur plus de tests. Ils ont utilisé des simulations pour évaluer l’influence des variations géométriques.

Les données de chaque matériau, y compris son comportement auxétique, sa rigidité et ses capacités d’absorption d’énergie, ont été documentées. De plus, l’équipe a examiné l’impact des paramètres structurels tels que l’agencement et l’épaisseur des barres non diagonales et des barres diagonales doubles. L’équipe a ensuite affiné l’espacement entre les barres diagonales doubles et l’espacement pour atteindre des performances optimales.

Tester la BLS : vérification expérimentale

Les chercheurs ont testé leur nouvelle conception de treillis de différentes manières. Plus précisément, un testeur universel Shimadzu AGS-50kNXD a été utilisé pour effectuer des tests de compression uniaxiale quasi-statique sur les unités BLS-0 et CAS imprimées en 3D. Les ingénieurs ont systématiquement documenté tous les aspects clés du matériau, y compris le comportement auxétique, la rigidité et les propriétés d’absorption d’énergie.

Résultats de test impressionnants

Les tests ont produit des résultats impressionnants. Selon les ingénieurs, la BLS a surpassé les options hexagonales réentrantes dans tous les domaines. En termes de compression, elle a battu la conception d’origine de 13 %. De plus, elle a absorbé 10 % d’énergie supplémentaire sur une plage de déformation 60 % plus grande.

La BLS a présenté une rigidité quasi double par rapport aux conceptions de tube traditionnelles. Elle était également 3 fois plus solide et présentait 4 fois plus de robustesse par rapport à ses prédécesseurs en nid d’abeille réentrant. Ces performances mécaniques améliorées proviennent d’une conception plus légère qui utilise beaucoup moins de matériau que les alternatives.

Avantages clés de la structure en treillis bio-inspirée

Il existe de nombreux avantages qui rendent la découverte de la BLS digne de mention. Tout d’abord, elle fournit aux ingénieurs un niveau de résistance à la compression et de rigidité qui permet la création d’objets plus durables. Des maisons aux voitures, cette conception plus légère pourrait améliorer la robustesse de nombreux objets courants que vous utilisez quotidiennement, ainsi que certains des projets les plus sophistiqués d’aujourd’hui.

Le rôle de l’impression 3D dans la fabrication de la BLS

Un autre avantage majeur de cette conception est qu’elle peut être imprimée en 3D. Cette approche permet aux ingénieurs de personnaliser la disposition pour répondre à presque toutes les exigences d’application. De plus, elle offre une opportunité d’expérimenter d’autres matériaux de manière contrôlée et facile à intégrer, favorisant ainsi l’innovation.

Applications potentielles de la BLS dans le monde réel

Ce matériau bio-inspiré pourrait conduire au développement de structures plus solides et plus résilientes dans des secteurs tels que l’aérospatiale, l’automobile et le génie civil. Tous ces secteurs sont en constante recherche de matériaux plus légers, plus faciles à travailler et présentant plus de résistance et de rigidité.

Maintenant, cette équipe de chercheurs innovants cherche à inspirer une nouvelle classe de matériaux auxétiques, offrant des propriétés mécaniques supérieures telles qu’une absorption d’énergie améliorée et une rigidité structurelle.

Applications d’ingénierie : qu’est-ce qui vient ensuite ?

De nombreux analystes prévoient que des applications pourraient émerger dans les 5 à 10 prochaines années, en fonction de la recherche et du développement supplémentaires. Voici quelques-unes des applications potentielles de cette technologie.

Construction

Selon les ingénieurs, le secteur de la construction sera leur principal objectif. Les matériaux de construction sont coûteux et leurs prix ont augmenté de manière spectaculaire au cours des dernières années. Ce développement pourrait révolutionner ce secteur de diverses manières.

Tout d’abord, il permettrait aux constructeurs de créer des structures plus solides qui utilisent moins de matériau. Imaginez ce treillis remplaçant le cadre en acier de votre maison ou les poutres d’un bâtiment. La disposition en damier ouvert et fermé et le matériau offrent un comportement auxétique sous compression à partir d’une structure légère.

De plus, les architectes et les ingénieurs pourraient créer des bâtiments plus résistants. Imaginez un gratte-ciel conçu pour réduire les vibrations lors d’un tremblement de terre ou se raidir d’une manière particulière lorsque le vent pousse sur lui. De cette façon, la BLS pourrait améliorer les capacités d’ingénierie structurelle sur le marché.

Équipement de protection

Un autre domaine d’intérêt pour la BLS est l’industrie de l’équipement de protection. Ce matériau rendra l’équipement de protection personnel plus léger et plus résistant. La conception en treillis assurera que l’équipement léger puisse résister aux conditions et aux impacts les plus durs, ouvrant la porte à un nouveau niveau de sécurité dans de nombreux sports dangereux d’aujourd’hui.

Militaire

Il existe plusieurs applications militaires pour ce matériau. Imaginez les gilets pare-balles de nouvelle génération, légers et super minces. Les ingénieurs pourraient créer des éléments tels que des ponts temporaires plus facilement, améliorant ainsi leur assemblage et leur transport. De plus, il pourrait jouer un rôle dans la création de véhicules et d’équipements de nouvelle génération qui nécessitent une rigidité améliorée mais doivent répondre à des contraintes de poids serrées.

Imaginez des drones qui peuvent voler plus loin et subir plus de dégâts, ou des casques qui peuvent résister à des impactsects de gros calibres sans se briser. Tout cela et plus est possible en utilisant la technologie BLS.

Applications médicales

Le domaine médical pourrait utiliser cette technologie pour améliorer plusieurs procédures différentes. Par exemple, les implants conçus pour maintenir les artères ouvertes doivent être en mesure de s’adapter à des pressions extrêmes et durer sans se dégrader pendant des années. La nouvelle conception en treillis offre plus de durabilité et de rigidité lorsqu’il en est besoin, empêchant ainsi les artères de se refermer et sauvant des vies.

Automobile

Il existe de nombreuses façons dont cette technologie pourrait rendre votre prochain véhicule plus sûr et plus efficace. Tout d’abord, la conception de tube mise à jour pourrait remplacer le cadre en acier actuellement utilisé par de nombreux fabricants. Cette nouvelle conception réduirait les coûts de fabrication et améliorerait la résistance et la durabilité.

De plus, cette technologie pourrait être utilisée pour rendre votre trajet beaucoup plus fluide. Visualisez les chocs et autres structures d’amortissement des vibrations créées avec ces matériaux. Ces conceptions pourraient fournir plus de confort sans ajouter au poids global de votre prochain véhicule électrique.

Chercheurs de la structure en treillis bio-inspirée (BLS)

Le Centre d’innovation de structures et de matériaux de RMIT a mené l’étude, qui comprenait Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie et Ngoc San Ha en tant que chercheurs. Maintenant, cette équipe prévoit de se plonger dans l’utilisation d’autres matériaux tels que l’acier pour tester leur création.

L’équipe a également exprimé son intérêt pour utiliser une combinaison de matériaux en fonction de leurs propriétés uniques pour essayer d’améliorer les performances encore plus. Ces expériences incluront la fabrication des poutres et des carrés à partir de matériaux variés qui peuvent interagir.

Investir dans le secteur des sciences des matériaux

Le secteur des sciences des matériaux compte plusieurs fabricants de premier plan qui continuent de pousser la technologie à de nouveaux sommets. Ce dernier développement démontre le rythme auquel l’innovation se produit sur le marché. Voici une entreprise innovante qui est bien positionnée pour intégrer toute avancée dans les sciences des matériaux pour améliorer ses rendements et sa gamme de produits.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) est entré en service en 1948 et est basé dans le Connecticut. Ce fabricant américain spécialisé dans les matériaux en nid d’abeille a connu un grand succès.

Intéressant, l’un des premiers contrats gouvernementaux importants de l’entreprise était de développer des matériaux en nid d’abeille de nouvelle génération pour une utilisation dans les dômes de radar sur les avions militaires pendant la Seconde Guerre mondiale. À la fin de la guerre, l’entreprise a acquis California Reinforced Plastics et Ciba Composites.

En 1995, elle a acquis la division de produits composites de Hercules. Aujourd’hui, elle est reconnue comme un innovateur de premier plan dans le domaine des matériaux composites avancés pour les applications aérospatiales et industrielles. L’entreprise a notamment aidé à concevoir et à fabriquer le véhicule de rentrée Apollo 11 en 1968.

Hexcel détient plusieurs brevets sur ses recherches et continue de verser des fonds pour développer des matériaux de nouvelle génération qui améliorent l’intégrité structurelle, réduisent le poids et offrent des options de fabrication plus faciles.

Actuellement, Hexcel compte 5894 employés et a enregistré un chiffre d’affaires de 1,90 milliard de dollars en 2024. Son action est considérée comme un « achat fort » par la plupart des analystes, car l’entreprise continue de sécuriser des contrats gouvernementaux et un soutien pour les technologies de nouvelle génération. Ces facteurs, couplés à l’historique et à la position de l’entreprise, font de HXL un ajout intelligent à tout portefeuille.

Dernières nouvelles sur Hexcel Corp.

L’avenir des structures en treillis bio-inspirées

Lorsque vous examinez les avantages que les structures en treillis bio-inspirées apportent au marché, il est facile de voir qu’elles joueront un jour un rôle vital pour rendre les appareils électroniques plus légers, les équipements de protection plus sûrs et votre véhicule futur plus robuste.

De plus, les progrès de l’impression 3D rendront encore plus facile pour les ingénieurs de modéliser et de créer des structures et des matériaux auxétiques ultra-performants. Pour l’instant, cette équipe mérite des félicitations pour avoir mis en lumière le fonctionnement des matériaux auxétiques et la manière dont l’évolution a aidé à améliorer leur conception.

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Études référencées :

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Comportement auxétique et caractéristiques d’absorption d’énergie d’une structure en treillis. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}