Comment la nature inspire des matériaux solides et légers pour les avions, les bâtiments et les implants osseux

Matériau solide et léger inspiré de la nature pour les avions, les bâtiments et les implants osseux

Conçus pour imiter l’os, le bois et d’autres matériaux naturels, les objets poreux sont plus légers que les produits traditionnels et peuvent être stratégiquement insérés dans les structures pour fournir une plus grande rigidité dans les zones à forte demande. Crédit : Paulino et al

Le matériel provenant d’un laboratoire de recherche de Princeton est plein de trous, mais c’est une bonne chose. Conçus pour imiter l’os, le bois et d’autres matériaux naturels, les objets poreux sont plus légers que les produits traditionnels et peuvent être stratégiquement insérés dans les structures pour fournir une plus grande rigidité dans les zones à forte demande.

Ces structures poreuses, créées par des chercheurs de l’Université de Princeton et de Georgia Tech, présentent des microstructures spinodales – des réseaux de trous spécialement conçus qui peuvent être réglés pour obtenir un comportement optimisé à l’échelle macro. Dans une nouvelle étude, publiée en ligne le 16 mars dans la revue Matériaux avancés, l’équipe a combiné différentes réalisations de ces microstructures spinodales pour concevoir et prototyper des implants faciaux pour la chirurgie reconstructive et des pièces rigides et légères pour les avions.

Davide Bigoni, professeur de mécanique des solides et des structures à l’Université de Trente qui n’était pas impliqué dans la recherche, a qualifié les résultats de “percée”. Il a déclaré : « Les auteurs ont trouvé un moyen astucieux de permettre une transition continue entre des zones aux architectures différentes. C’est le concept ultime du biomimétisme, car toutes les structures naturelles forment des systèmes continus. C’est un fait connu depuis l’Antiquité : « natura non ». facit saltus’ – la nature ne fait pas de sauts.”

De nombreux matériaux naturels, y compris les os, les cornes d’animaux, le bois et les squelettes de dollars de sable, sont pleins de trous. Les espaces vides rendent les matériaux légers et, dans certains cas, permettent aux fluides corporels de se déplacer à travers les pores. Dans les os, ces espaces permettent un processus de remodelage qui rend l’os plus ou moins dense en réponse aux sollicitations physiques. Créer des matériaux synthétiques avec des propriétés similaires a été un défi pour les ingénieurs.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont imité ces matériaux naturels en concevant des microstructures avec des trous de différentes tailles, formes et orientations. Les nouveaux objets sont connus sous le nom de matériaux architecturés, qui ont des performances personnalisables basées sur la relation entre le matériau et la géométrie. Les trous peuvent avoir la forme de sphères (comme celles des squelettes de dollars de sable), de diamants (os), de colonnes (bois) ou de lentilles (corne). Les chercheurs ont pu imprégner le matériau de rigidité dans différentes directions en faisant varier la forme. Ils ont contrôlé la densité du matériau en modifiant la taille des trous et ont modifié l’orientation des trous dans un objet pour augmenter la rigidité dans les régions soumises à des contraintes.

“Vous avez la structure réelle et la microstructure travaillant ensemble pour obtenir des performances supérieures”, a déclaré Fernando Vasconcelos da Senhora, étudiant diplômé de Georgia Tech et premier auteur de la nouvelle étude.

Pour démontrer les utilisations potentielles, les chercheurs ont conçu et imprimé en 3D un implant facial, tel que celui utilisé pour réparer une blessure faciale majeure causée par un accident de voiture. Actuellement, les chirurgiens utilisent du plastique ou du titane pour créer des implants poreux qui permettent à l’os de repousser à travers les trous, mais ces implants n’ont pas la même accordabilité réalisable avec les architectures spinodales. Les chercheurs ont combiné des sections avec des trous en forme de colonne et de lentille pour créer un implant suffisamment rigide pour résister aux forces de mastication et doté de trous de la bonne taille pour favoriser la croissance et la guérison osseuses. L’implant prototype était constitué d’une résine photopolymère, mais il pouvait être imprimé en 3D à l’aide de matériaux biocompatibles pour une utilisation future chez les patients.

Les chercheurs ont déclaré que la technique ouvre la porte à la création d’implants avec de nombreux types de matériaux différents, car la combinaison de la géométrie et du matériau permet aux concepteurs d’affiner les performances.

Matériau solide et léger inspiré de la nature pour les avions, les bâtiments et les implants osseux

L’équipe a combiné différentes réalisations de ces microstructures spinodales pour concevoir et prototyper des implants faciaux pour la chirurgie reconstructive et des pièces rigides et légères pour les avions. Crédit : Paulino et al

“Ce n’est pas le matériau de base qui est meilleur. Ce sont les caractéristiques à l’échelle microscopique qui sont meilleures”, a déclaré Emily Sanders, co-auteur et professeure adjointe de génie mécanique à Georgia Tech. “En théorie, nous pourrions fabriquer les échafaudages à partir de n’importe quel matériau – le plus approprié serait d’explorer des matériaux biocompatibles.”

Pour montrer une utilisation totalement différente, les chercheurs ont combiné trois types de microstructures pour construire un support de moteur à réaction, une partie essentielle d’un avion, qui maintient le moteur en place et doit être à la fois solide et légère.

“Nous avons une technique assez puissante dans le sens où elle combine des architectures de matériaux avec une optimisation à différentes échelles et son intégration avec la fabrication additive”, a déclaré Glaucio Paulino, professeur d’ingénierie Margareta E. Augustine et chercheur principal du projet. “Il peut avoir un large éventail d’applications dans le sens où il évolue, de sorte qu’il peut être appliqué dans les nanotechnologies et les microtechnologies, ainsi qu’aux échelles méso et macro.”

Un aspect clé du succès des matériaux réside dans les transitions fluides d’un type de microstructure à un autre au sein d’un même objet. Passer brusquement d’une microstructure à l’autre sans connecter le réseau de pores entraînerait la séparation du matériau le long des coutures. Les matériaux fabriqués avec des microstructures spinodales sont également moins susceptibles d’avoir des points faibles car les trous se produisent de manière aléatoire, au lieu de motifs réguliers.

“Une grande partie consistait à trouver comment tirer parti de la plate-forme de fabrication et [work out] mathématiquement la structure de ces matériaux architecturés, puis reliez les deux ensemble afin que nous puissions réellement fabriquer quelque chose », a déclaré Sanders.

L’équipe explore déjà d’autres utilisations des microstructures. Actuellement, la technologie en est au stade du prototype, mais ils sont impatients de tester plus complètement les propriétés des matériaux. “Je suis intéressé à comprendre les questions fondamentales sur le comportement de ces matériaux architecturés”, a déclaré Sanders.


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Plus d’information:
Fernando V. Senhora et al, Matériaux architecturés spinodaux parfaitement adaptés pour la conception et la fabrication à plusieurs échelles, Matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002 / adma.202109304

Fourni par l’Université de Princeton

Citation: Comment la nature inspire un matériau solide et léger pour les avions, les bâtiments et les implants osseux (2022, 25 avril) récupéré le 25 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-nature-strong-lightweight-material-planes. html

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