Photo : Jeff Fitlow | Rice University
L’association de la fabrication additive et de l’optimisation topologique peut donner lieu à des performances étonnantes, aussi bien en terme de poids que de résistance. C’est l’une des raisons pour laquelle l’impression 3D suscite autant d’intérêt de la part de l’industrie aéronautique et automobile. Pour faire des économies de carburant, ces secteurs poussent très loin la chasse aux kilos superflus. En éliminant de la matière à des endroits très précis, là où les efforts ne transitent pas, l’optimisation topologique permet des gains de poids sans que la fonctionnalité de la pièce n’en soit modifiée, tout en ciblant un objectif de performance maximale.
La dernière démonstration du genre nous vient de l’Université Rice de Boston aux Etats-Unis, où des chercheurs ont mis au point une technique permettant de réaliser des géométries ultralégères presque aussi dures que du diamant. Pour prouver l’efficacité de leur procédé, l’équipe a tiré sur deux blocs en plastique, dont un qui a pu stopper net la balle.
Soumis à un impact de balle envoyée à 5,8 kilomètres par seconde, le premier cube a été très endommagé par le tire, tandis que le second a arrêté le projectile à la deuxième couche de polymère, laissant le reste de la structure intact. Pour parvenir à ce résultat, l’équipe explique s’être appuyée sur les travaux du physicien Douglas Galvão et du chimiste Ray Baughman. En 1993, ces derniers avaient découvert qu’en reprenant les propriétés de nanotubes de carbone, il était possible de réaliser des formes tubulaires (en anglais tubulanes) aussi légères que solides.
« La résistance aux chocs de ces structures imprimées en 3D les place dans une classe à part »
La structure imprimée en 3D inspirée du tubulane résiste beaucoup mieux à l’impact de balle qu’un cube de polymère pur (Crédits Photo : Jeff Fitlow | Rice University
Grâce à la liberté de forme de l’impression 3D, les protagonistes ont été en mesure de reproduire leur complexité géométrique, et à l’échelle supérieure. Auteur principal de la recherche, Seyed Mohammad Sajadi et son équipe, ont modélisé plusieurs blocs de tubulaires, pour les agrandir, puis les imprimer en 3D à l’aide de matériaux polymères. Le test laisse apparaître que le bloc imprimé en 3D serait 10 fois plus efficace pour arrêter une balle qu’un bloc solide constitué du même plastique. Un test de compression a également montré que les matériaux à base de tubulaires supportaient très bien la pression, s’effondrant sans se fissurer.
Sajadi s’est dit impressionné par les résultats. « La balle était coincée dans la deuxième couche de la structure… Mais dans le bloc solide, les fissures se sont propagées à travers toute la structure. » A t-il expliqué. « Des essais dans une presse de laboratoire ont montré comment le réseau de polymère poreux permettait aux blocs de tubulane de s’effondrer sur eux-mêmes sans se fissurer. »
Selon ce dernier, l’optimisation topologique combinée à l’impression 3D pourrait conduire à de meilleurs matériaux pour les applications dans de nombreux domaines : civiles, aérospatiales, automobiles, sportives, de conditionnement et biomédicales. La résistance des structures tubulaires pourraient être particulièrement pertinentes dans les secteur du gaz et du pétrole, en particulier pour les opérations de fracturation hydraulique où les frottements sont très importants. « La résistance aux chocs de ces structures imprimées en 3D les place dans une classe à part », a déclaré l’un des chercheurs Peter Boul.
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