Des scientifiques créent le premier titane flottant au monde

On dit qu’un homme qui se noie est prêt à s’accrocher à n’importe quoi pour rester à flot, mais il y réfléchirait à deux fois si on lui proposait une bouée en titane. Pourtant, des scientifiques ont créé une structure en titane qui flotte sans que la résistance du métal ne soit altérée.

Une équipe de chercheurs de l’université RMIT en Australie a créé un « métamatériau à structure cellulaire ouverte métal-polymère flottant », une structure en titane imprimée en 3D capable de flotter malgré une densité du titane plus de quatre fois supérieure à celle de l’eau. Pour ce faire, ils ont imprimé en 3D un squelette en alliage de titane et laissé les poutres individuelles creuses.

Ces poutres creuses ont ensuite été remplies de mousse de polyuréthane légère. Lors des tests, la structure est restée flottante même après l’apparition de fissures, la rupture des points de connexion et la désintégration d’une couche entière du réseau.

Les scientifiques ont créé des réseaux cubiques simples à partir de Ti-6Al-4V, constitués de matrices 4 x 4 x 4 de cellules de 10 mm. Sara Tan, RMIT

Il existe de nombreuses raisons de vouloir quelque chose à la fois extrêmement solide et flottant.

Les bouées, les capteurs flottants, les plateformes offshore et autres infrastructures marines doivent résister aux impacts répétés des vagues et à l’eau de mer corrosive sans disparaître sous la surface en cas de dommages. Des métaux comme l’acier inoxydable et le titane offrent la résistance et la durabilité requises pour ces applications.

L’alliage de titane Ti-6Al-4V, utilisé ici, présente également une excellente résistance à la corrosion par l’eau de mer. Cependant, son principal inconvénient réside dans sa densité. Le Ti-6Al-4V a une densité d’environ 4,43 g/cm³, contre environ 1 g/cm³ pour l’eau douce, ce qui explique qu’il coule généralement au fond.

Mais l’être humain, ingénieux comme il est, a imaginé plusieurs solutions il y a fort longtemps, dès ses débuts en navigation. Selon le principe d’Archimède , un objet flotte lorsque le poids de l’eau qu’il déplace est supérieur à son propre poids. Un navire peut donc être construit en acier dense et flotter malgré tout, car sa coque creuse renferme un volume d’air considérable. Autre solution : les ingénieurs peuvent ajouter des matériaux à faible densité, comme de la mousse, pour assurer la flottaison.

Les treillis métalliques pourraient constituer une autre solution. L’impression 3D permet de transformer une quantité relativement faible de métal en un vaste réseau de poutres léger, produisant des structures aux rapports résistance/poids impressionnants. Certains treillis métalliques ont même une densité apparente inférieure à un dixième de celle de l’eau. Malheureusement, leur architecture ouverte les rend inadaptés à une utilisation dans l’eau.

« Leurs espaces ouverts et interconnectés permettent à l’eau de pénétrer, ce qui provoque leur affaissement », explique le Dr Jordan Noronha, chercheur principal.

L’équipe du projet : le professeur Andrey Molotnikov, le professeur émérite Ma Qian, le professeur émérite Milan Brandt, le docteur Jordan Noronha et le professeur Martin Leary du Centre de fabrication additive de RMIT. Sara Tan, RMIT

Cette explication met en lumière un aspect quelque peu trompeur de la notion de densité. Calculer la masse d’un réseau par rapport à son volume extérieur total inclut tous ces grands espaces vides dans son volume. Or, une fois immergée, l’eau s’y engouffre simplement. Ces espaces ne contribuent plus au déplacement de l’eau, et la structure coule.

Les chercheurs de l’université RMIT ont donc mis au point une autre mesure, appelée « densité squelettique », qui ne tient pas compte de l’espace accessible de l’extérieur et ne prend en compte que les parties de la structure qui excluent effectivement l’eau. Si cette densité squelettique est inférieure à la densité du liquide environnant, la structure devrait flotter.

Les chercheurs ont conçu des réseaux cubiques simples en Ti-6Al-4V, composés d’assemblages 4 × 4 × 4 de cellules de 10 mm. Au lieu d’imprimer des poutres pleines classiques, ils ont imprimé des entretoises creuses dont les parois ne font que 0,2 mm d’épaisseur et dont les canaux internes ont un diamètre de 2,5 à 4 mm. Ces structures ont été fabriquées par fusion laser sur lit de poudre, une technique qui consiste à faire fondre sélectivement, à l’aide d’un laser, des couches successives de poudre de titane pour construire progressivement la géométrie complexe.

Ils ont ensuite injecté de la mousse de polyuréthane expansive dans les canaux interconnectés situés à l’intérieur des entretoises en titane. En se dilatant, la mousse a rempli l’intérieur des poutres tout en laissant les grands espaces entre elles complètement ouverts.

Coupes transversales du cube en treillis de titane avant et après remplissage avec de la mousse de polyuréthane pour assurer sa flottabilité. Sara Tan, RMIT

Au microscope, la mousse formait une interface parfaitement intégrée aux parois internes rugueuses en titane et contenait principalement des cellules fermées d’environ 10 à 200 micromètres de diamètre. Ces bulles microscopiques scellées emprisonnent les gaz et empêchent l’eau de pénétrer. Il en résulte une structure constituée de minuscules tubes de titane remplis de mousse. Le titane supporte la charge et assure la solidité, tandis que la mousse assure la flottabilité.

Les structures métalliques-polymères classiques remplissent généralement les espaces entre les poutres avec des polymères comme l’époxy, le PEEK ou le silicone. Les structures ainsi obtenues peuvent présenter des propriétés intéressantes telles que l’amortissement des vibrations ou la régulation thermique, mais le remplissage des cellules externes supprime l’ouverture même qui faisait l’intérêt de la structure à l’origine. Ici, l’eau peut toujours circuler librement à travers la structure, préservant ainsi sa perméabilité et sa grande surface exposée.

La mousse n’a que très peu affecté les performances mécaniques du titane. Comparée à des structures creuses équivalentes, l’ajout de polyuréthane n’a augmenté la masse volumique apparente que de 5,9 % à 7,3 %, tout en n’entraînant que de faibles variations de la limite d’élasticité, de la résistance à la compression et de la rigidité. Le matériau hybride a également présenté une résistance spécifique supérieure à celle de deux matériaux marins conventionnels utilisés à titre de comparaison : le polyéthylène haute densité (PEHD) et l’acier inoxydable 316L.

Pour les premiers tests de flottabilité, les chercheurs ont immergé plusieurs prototypes dans de l’eau douce pendant plus de deux mois. Tous les treillis en titane non remplis ont coulé, l’eau ayant envahi leurs canaux creux. Les versions remplies de mousse se sont comportées exactement comme le prévoyait le modèle de densité squelettique : les échantillons dont la densité squelettique était supérieure à celle de l’eau de test (0,997 g/cm³) ont coulé, tandis que ceux dont la densité était inférieure ont flotté.

Les chercheurs ont alors commencé à les tester à l’épreuve. Car il ne suffit pas que la structure soit parfaitement stable en eau calme ; en pratique, elle doit continuer à fonctionner comme prévu après avoir subi de multiples chocs de la mer.

Ils ont soumis des échantillons flottants à une compression et les ont périodiquement replongés dans l’eau à mesure que les dommages s’aggravaient. Ils flottaient encore après avoir dépassé leur limite de résistance à la compression, après la fracture de nœuds individuels, et même après la propagation de fissures suffisantes pour fracturer une couche entière du réseau. Ce n’est qu’une fois les structures fortement écrasées et entrées dans la phase de densification qu’elles ont finalement coulé. À ce moment-là, la compression avait suffisamment réduit leur volume pour que leur densité squelettique dépasse celle de l’eau.

La mousse à cellules fermées s’est avérée particulièrement précieuse dans ce cas. Une structure en titane entièrement creuse pourrait également être rendue flottante en emprisonnant de l’air dans ses entretoises, mais une simple fissure importante pourrait laisser l’eau s’infiltrer par les canaux. La mousse, quant à elle, agit comme une « barrière répartie ». Elle empêche une lésion localisée de créer une voie d’infiltration libre à travers toute la structure.

L’équipe a également immergé le matériau dans l’eau de mer naturelle de la baie de Port Phillip, près de Melbourne, pendant deux semaines. Il est resté à la surface, n’a perdu que 0,15 % de sa masse et sa résistance a diminué de moins de 1 %.

La bouée imprimée en 3D utilisée pour les essais. Sara Tan, RMIT

Finalement, ils ont transformé ce matériau en un objet concrètement utile : une bouée marine prototype de 100 mm de haut et 85 mm de large. Imprimée en 3D, cette bouée a flotté en eau de mer naturelle, soumise à des courants turbulents qui l’ont fait pivoter de manière répétée jusqu’à 45 degrés. Le tout, sans enveloppe extérieure étanche, sans revêtement protecteur ni matériau de flottaison séparé, prouvant ainsi la viabilité de la structure en conditions réelles.

Pour les prochaines étapes, les chercheurs prévoient d’adapter cette technologie à des structures plus grandes et de prouver sa durabilité à long terme en conditions marines réelles, y compris en eaux profondes. Ils envisagent également cette structure creuse en titane comme une plateforme de matériaux beaucoup plus vaste.

Remplacer le polyuréthane par un autre matériau de remplissage permettrait d’adapter la même architecture de base à l’absorption d’énergie, à l’amortissement des vibrations, à la gestion thermique ou à d’autres applications. Autrement dit, les ingénieurs créent des objets aux propriétés non conventionnelles combinées en associant la structure creuse imprimée en 3D à différents matériaux de remplissage.

https://www.rmit.edu.au/news/all-news/2026/sep/floating-titanium