Éponge des profondeurs inspire une structure en treillis ultra‑solide pour l’ingénierie

Une équipe d’ingénieurs du Centre for Innovative Structures and Materials de RMIT a utilisé le biomimétisme pour développer une structure en treillis ultra‑solide offrant des performances améliorées par rapport aux options traditionnelles à base de nid d’abeille.

Inspiré par l’éponge des profondeurs, le panier de fleurs de Vénus, le design exploite des millions d’années d’évolution pour optimiser l’auxéticité, la rigidité et l’absorption d’énergie. Voici comment cette structure en treillis ultra‑solide pourrait être la clé pour débloquer les bâtiments de prochaine génération, les procédures médicales et bien plus encore.

Comprendre les matériaux auxétiques

Pour saisir l’importance de cette avancée, il est essentiel de comprendre le rôle crucial que jouent les matériaux auxétiques tant dans les applications naturelles que fabriquées par l’homme. Ces matériaux diffèrent de vos objets traditionnels qui s’écrasent lorsqu’ils sont comprimés ou s’allongent lorsqu’ils sont étirés.

Au contraire, les matériaux auxétiques présentent une contraction latérale sous compression. Cette caractéristique les rend idéaux pour les applications nécessitant d’absorber et de répartir efficacement l’énergie d’impact. Notamment, il existe des versions naturelles de matériaux auxétiques comme les tendons musculaires, ainsi que des exemples artificiels, tels que les stents cardiaques qui doivent s’ajuster aux exigences de pression vasculaire.

L’évolution des conceptions auxétiques

Au fil des ans, de nombreux efforts de R&D ont été consacrés au développement des matériaux auxétiques les plus efficaces. Certaines conceptions actuelles incluent des structures chirales, des nids d’abeille en forme d’étoile, des structures à corps rigide rotatif, des auxétiques multimatériaux et des nids d’abeille réentrants. Parmi ces options, les nids d’abeille hexagonaux réentrants sont les plus répandus.

Le nid d’abeille hexagonal réentrant : une approche traditionnelle

Le design du nid d’abeille hexagonal réentrant a été bio‑inspiré des nids d’abeille présents dans les ruches. Il a été développé en 1982 et comporte des nervures diagonales qui se déplacent vers l’intérieur sous compression, renforçant ainsi la structure.

Depuis, le design a été amélioré avec des entretoises supplémentaires afin d’accroître les performances. Cependant, il subsiste de nombreux inconvénients liés à la configuration du nid d’abeille en termes de flexibilité, de coûts de production et de performance globale.

Faire progresser les structures en treillis : l’étude BLS

Conscients des limites de ce domaine émergent, une équipe de chercheurs de l’Université RMIT a développé un design auxétique propriétaire capable de surpasser ses prédécesseurs dans tous les domaines. Le rapport « Comportement auxétique et caractéristiques d’absorption d’énergie d’une structure en treillis inspirée par l’éponge des profondeurs»¹ publié dans Composite Structures souligne comment le nouveau design s’inspire de la structure squelettique d’une éponge profonde et peut dépasser les nids d’abeille hexagonaux réentrants de 13 fois.

Le panier de fleurs de Vénus : le plan de la nature

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

La grille est renforcée par des entretoises à double treillis qui donnent à la structure un aspect d’échiquier avec des carrés alternés remplis. Ces cellules ouvertes et fermées confèrent à l’animal des propriétés mécaniques uniques, notamment une rigidité inégalée et une absorption d’énergie 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 sur le corps a été imprimée en polyuréthane thermoplastique. Elle comprenait neuf cellules carrées disposées en grille 3 × 3. Le groupe a observé que, prises isolément, chaque treillis présentait un comportement de déformation. Cependant, combinées, les matériaux ont montré des actions auxétiques.

Simulations informatiques : affiner le design BLS

L’étape suivante consistait à exploiter les données des tests pour créer des simulations informatiques. Cette démarche permet aux ingénieurs d’améliorer leur cadence de test et d’essayer des formes et des conceptions plus exotiques sur un plus grand nombre d’essais. Ils ont utilisé les simulations pour évaluer l’influence des variations géométriques.

Les données de chaque matériau, incluant 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 la disposition et l’épaisseur des barres non diagonales et double‑diagonales. L’équipe a ensuite ajusté l’espacement entre les barres double‑diagonales afin d’obtenir des performances optimales.

Tester le BLS : vérification expérimentale

Les chercheurs ont testé leur nouveau design de treillis de diverses manières. Plus précisément, un testeur universel Shimadzu AGS-50kNXD a été utilisé pour réaliser des essais de compression uniaxiale quasi‑statique sur les unités BLS‑0 et CAS imprimées en 3D. Les ingénieurs ont documenté systématiquement tous les aspects fondamentaux du matériau, incluant 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, le BLS a surpassé les options hexagonales réentrantes dans tous les domaines. En termes de compression, il a battu le design original de 13 %. De plus, il a absorbé 10 % d’énergie supplémentaire sur une plage de déformation 60 % plus grande.

Le BLS a montré près du double de rigidité par rapport aux conceptions de tubes traditionnels. De plus, tt était 3 fois plus solide et présentait 4 fois plus de robustesse comparé à ses prédécesseurs à nid d’abeille réentrant. Cette performance mécanique améliorée provient d’un design plus léger qui utilise beaucoup moins de matériau que les alternatives.

Principaux avantages de la structure en treillis bio‑inspirée

De nombreux avantages rendent la découverte du BLS remarquable. Tout d’abord, elle offre aux ingénieurs un nouveau niveau de résistance à la compression et de rigidité qui permet la création d’objets plus durables. Des habitations aux automobiles, ce design plus léger pourrait renforcer la robustesse de nombreux objets courants que vous utilisez quotidiennement, ainsi que certains des projets les plus avancés aujourd’hui.

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

Un autre avantage majeur de ce design est qu’il peut être imprimé en 3D. Cette approche permet aux ingénieurs de personnaliser la configuration pour répondre à presque toutes les exigences d’application. De plus, elle offre la possibilité d’expérimenter d’autres matériaux de manière contrôlée et facile à intégrer, stimulant ainsi davantage d’innovation.

Applications potentielles du 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 recherchent constamment des matériaux plus légers, plus faciles à travailler et offrant davantage de résistance et de rigidité.

Aujourd’hui, 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 accrue et une rigidité structurelle.

Applications d’ingénierie : quelles perspectives ?

De nombreux analystes prévoient que des applications pourraient émerger d’ici 5 à 10 ans, sous réserve de recherches et de développements supplémentaires. Voici quelques-unes des applications potentielles de cette technologie.

Construction

Selon les ingénieurs, le secteur du bâtiment sera leur principal objectif. Les matériaux de construction sont coûteux, les prix ayant fortement augmenté ces dernières années. Cette avancée pourrait révolutionner ce secteur de multiples façons.

Tout d’abord, cela permettrait aux constructeurs de créer des structures plus solides en utilisant moins de matériau. Imaginez ce treillis remplacer l’ossature en acier de votre maison ou les poutres d’un bâtiment. La disposition en damier ouverte et fermée du matériau offre un comportement auxétique sous compression grâce à une structure légère.

De plus, les architectes et ingénieurs pourraient concevoir des bâtiments plus résilients. Imaginez un gratte‑ciel conçu pour réduire les vibrations lors d’un séisme ou pour se rigidifier d’une manière particulière lorsque le vent le pousse. De cette façon, le BLS pourrait améliorer les capacités d’ingénierie structurelle sur le marché.

Équipement de protection

Un autre domaine d’intérêt pour le BLS est l’industrie des équipements de protection. Ce matériau rendra les équipements de protection portés plus légers et plus résilients. Le design en treillis garantira que l’équipement léger résiste aux conditions et aux impacts les plus sévères, ouvrant la voie à un nouveau niveau de sécurité dans de nombreux sports dangereux d’aujourd’hui.

Militaire

Il existe plusieurs applications militaires pour ce matériau. Imaginez des gilets pare‑balles de prochaine génération, légers et ultra‑minces. Les ingénieurs pourraient créer plus facilement des ponts temporaires, améliorant à la fois leur assemblage et leur transport. De plus, il pourrait jouer un rôle dans la création de véhicules de prochaine génération et d’autres équipements nécessitant une rigidité accrue tout en respectant des contraintes de poids strictes.

Pensez à des drones capables de voler plus loin et de résister à davantage de dommages, ou à des casques pouvant supporter des impacts directs de calibres élevés sans se briser. Tout cela et bien plus encore est possible grâce à la technologie BLS.

Applications médicales

Le domaine médical pourrait exploiter cette technologie pour améliorer plusieurs procédures. Par exemple, les implants conçus pour maintenir les artères ouvertes doivent pouvoir s’ajuster sous une pression extrême et durer des années sans se dégrader. Le nouveau design en treillis offre davantage de durabilité et de rigidité lorsque cela est nécessaire, empêchant 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, le design de tube mis à jour pourrait remplacer le cadre en acier actuellement utilisé par de nombreux constructeurs. Ce nouveau design réduirait les coûts de fabrication et améliorerait la résistance et la durabilité.

De plus, cette technologie pourrait être utilisée pour rendre votre conduite beaucoup plus fluide. Visualisez des amortisseurs et d’autres structures d’amortissement des vibrations créés avec ces matériaux. Ces conceptions pourraient offrir plus de confort sans ajouter de poids supplémentaire à votre futur véhicule électrique.

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

Le Centre for Innovative Structures and Materials de RMIT a dirigé l’étude qui a réuni Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting‑Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie et Ngoc San Ha en tant que chercheurs. Désormais, cette équipe prévoit d’explorer l’utilisation d’autres matériaux tels que l’acier pour tester leur création.

L’équipe a également exprimé son intérêt à utiliser une combinaison de matériaux basée sur leurs propriétés uniques afin d’améliorer davantage les performances. Ces expériences comprendront la fabrication des poutres et des carrés à partir de matériaux variés pouvant 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 vers de nouveaux sommets. Cette dernière avancée montre le rythme auquel l’innovation se produit sur le marché. Voici une entreprise innovante bien positionnée pour intégrer les percées en sciences des matériaux afin d’améliorer son retour sur investissement et sa gamme de produits.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) a commencé ses activités en 1948 et est basée dans le Connecticut. Ce fabricant américain se spécialise dans les matériaux à conception nid d’abeille. Depuis sa création, Hexcel a connu un grand succès.

Il est intéressant de noter que l’un des premiers grands contrats gouvernementaux de l’entreprise était de développer des matériaux nid d’abeille de nouvelle génération pour les dômes radar des avions militaires pendant la Seconde Guerre mondiale. Après la fin de la guerre, l’entreprise a acquis California Reinforced Plastics et Ciba Composites.

En 1995, elle a acquis la division Hercules Composites Products. Aujourd’hui, elle est reconnue comme un innovateur majeur dans le domaine des matériaux composites avancés pour les applications aérospatiales et industrielles. L’entreprise a notamment contribué à la conception et à la fabrication du vaisseau de rentrée d’Apollo 11 en 1968.

Hexcel détient plusieurs brevets sur ses recherches et continue d’investir dans le développement de matériaux de prochaine génération qui améliorent l’intégrité structurelle, réduisent le poids et offrent des options de fabrication plus simples.

Actuellement, Hexcel compte 5 894 employés et a déclaré un chiffre d’affaires de 1,90 milliard de dollars en 2024. Son action est considérée comme un « Buy » solide par la plupart des analystes, l’entreprise continuant à obtenir des contrats gouvernementaux et à soutenir les technologies de prochaine génération. Ces facteurs, combinés à l’histoire et au positionnement de l’entreprise, font de HXL un ajout judicieux à tout portefeuille.

Dernières nouvelles de 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 essentiel pour rendre les appareils électroniques plus légers, les équipements de protection plus sûrs et votre futur véhicule plus robuste.

De plus, les avancées de l’impression 3D faciliteront encore davantage la modélisation et la création de structures et matériaux auxétiques ultra‑performants par les ingénieurs. Pour l’instant, cette équipe mérite d’être félicitée pour avoir éclairé le fonctionnement des matériaux auxétiques et la manière dont l’évolution a contribué 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}