Les métamatériaux imprimés en 3D exploitent une géométrie complexe pour amortir les vibrations mécaniques

Les chercheurs ont ouvert une nouvelle voie vers l'isolation des vibrations qui pourrait aider à absorber les chocs dans diverses applications, notamment les véhicules, les bâtiments et plus encore.

En sciences et en ingénierie, il est rare que l'innovation surgisse d'un seul coup. Il s'agit plus souvent d'un travail laborieux, grâce auquel l'extraordinaire devient peu à peu ordinaire.

Mais nous sommes peut-être à un tournant de cette évolution en ce qui concerne les structures artificielles dont les propriétés mécaniques sont sans précédent dans la nature, aussi appelées métamatériaux mécaniques. Une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université du Michigan et du Laboratoire de recherche de l'armée de l'air (AFRL) a montré comment imprimer en 3D des tubes complexes dont la structure complexe permet d'atténuer les vibrations.

De telles structures pourraient être utiles dans diverses applications où l'on souhaite amortir les vibrations, notamment dans les transports, le génie civil, etc. La nouvelle étude de l'équipe, publiée dans la revue Physical Review Applied, s'appuie sur des décennies de recherche théorique et informatique pour créer des structures qui bloquent passivement les vibrations tentant de se propager d'un bout à l'autre.

« C'est là que réside la véritable nouveauté. Nous avons pris conscience que nous pouvons réellement fabriquer ces choses », a déclaré James McInerney, chercheur associé à l'AFRL. McInerney était auparavant chercheur postdoctoral à l'UM et collaborait avec Xiaoming Mao , professeur de physique et auteur de la nouvelle étude.

« Nous sommes optimistes quant à leur application à des fins utiles. Dans ce cas précis, il s'agit de l'isolation des vibrations », a déclaré McInerney.

Ces travaux ont été financés en partie par l'Agence des projets de recherche avancée de défense (DARPA) et l'Office of Naval Research. Ils s'inscrivaient également dans le cadre d'un programme de bourses de recherche du Conseil national de la recherche des États-Unis, administré par les Académies nationales des sciences, de l'ingénierie et de la médecine.

Serife Tol, professeur agrégé de génie mécanique à l'UM, a également contribué à l'étude, tout comme Othman Oudghiri-Idrissi de l'Université du Texas et Carson Willey et Abigail Juhl de l'AFRL.

« Depuis des siècles, l'homme améliore les matériaux en modifiant leur composition chimique. Nos travaux s'appuient sur le domaine des métamatériaux, où c'est la géométrie, plutôt que la chimie, qui donne naissance à des propriétés inhabituelles et utiles », a déclaré Mao. « Ces principes géométriques peuvent s'appliquer de l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique, ce qui nous confère une robustesse extraordinaire. »

Les structures antivibratoires peuvent être considérées comme constituées d'un treillis répétitif (a), empilé en deux couches (b) et enroulé dans un tube (c). Crédit image : JP McInerney et al. Phys. Rev. Appl. 2025 (DOI : 10.1103/xn86-676c)

Fondations structurelles

La nouvelle étude est une fusion d’ingénierie structurelle à l’ancienne, de physique relativement nouvelle et de technologies de fabrication avancées, comme l’impression 3D, qui deviennent de plus en plus impressionnantes, a déclaré McInerney.

« Il est fort probable que nous soyons capables de fabriquer des matériaux de A à Z avec une précision incroyable », a-t-il déclaré. « Notre vision est de pouvoir créer des matériaux à l'architecture très spécifique, et la question que nous nous posons est : "Que pouvons-nous en faire ? Comment créer de nouveaux matériaux différents de ceux que nous utilisons habituellement ?" »

Comme l'a expliqué Mao, l'équipe ne modifie pas la chimie ni la composition moléculaire des matériaux. Les chercheurs étudient comment utiliser un contrôle précis de la forme d'un matériau de construction quelconque pour obtenir de nouvelles propriétés bénéfiques.

Les os humains et les « coquilles » de plancton, par exemple, exploitent cette stratégie dans la nature. Leurs géométries complexes permettent d'obtenir des résultats inattendus grâce aux substances qui les composent. Grâce à des outils comme l'impression 3D, les chercheurs peuvent désormais appliquer cette stratégie aux métaux, aux polymères et à d'autres matériaux pour obtenir des propriétés recherchées jusqu'alors inaccessibles.

« L’idée n’est pas de remplacer l’acier et le plastique, mais de les utiliser plus efficacement », a déclaré McInerney.

La nouvelle école rencontre la vieille école

Ce « tube kagome » imprimé en 3D peut isoler passivement les vibrations grâce à sa structure complexe, mais réfléchie. Crédit image : James McInerney, Laboratoire de recherche de l'armée de l'air

Bien que ces travaux s'appuient sur des innovations modernes, ils reposent sur d'importants fondements historiques. Il s'agit notamment des travaux du célèbre physicien du XIXe siècle, James Clerk Maxwell. Bien que surtout connu pour ses travaux en électromagnétisme et en thermodynamique, il s'est également intéressé à la mécanique et a développé des principes de conception utiles pour créer des structures stables à sous-unités répétitives appelées réseaux de Maxwell, a expliqué McInerney.

Un autre concept clé à l'origine de cette nouvelle étude est apparu dans la seconde moitié du XXe siècle, lorsque les physiciens ont découvert des comportements intéressants et déroutants aux limites des matériaux. Cela a donné naissance à un nouveau domaine d'étude, la topologie, toujours très actif, qui vise à expliquer ces comportements et à les exploiter concrètement.

« Il y a environ dix ans, une publication fondamentale a révélé que les réseaux de Maxwell peuvent présenter une phase topologique », a déclaré McInerney.

Ces dernières années, McInerney et ses collègues ont exploré les implications de cette étude en matière d'isolation vibratoire. L'équipe a élaboré un modèle expliquant ce comportement et expliquant comment concevoir un objet réel qui le présenterait. L'équipe a maintenant prouvé que son modèle est à son stade le plus avancé à ce jour en fabriquant de tels objets avec du nylon imprimé en 3D.

Un examen rapide de ces structures révèle pourquoi leur fabrication représentait autrefois un tel défi. Elles ressemblent à une clôture grillagée pliée et enroulée pour former un tube dont les couches intérieure et extérieure sont reliées. Les physiciens les appellent tubes kagome, en référence au tressage traditionnel japonais de paniers qui utilisait des motifs similaires.

Il ne s'agit toutefois que d'une première étape vers la réalisation du potentiel de telles structures, a déclaré McInerney. Par exemple, l'étude a également montré que plus une structure est efficace pour supprimer les vibrations, moins elle peut supporter de poids. C'est un compromis coûteux, voire inacceptable, en termes d'applications, mais cela met en lumière des opportunités intéressantes et des questions fondamentales qui demeurent, a-t-il ajouté.

À mesure que de nouvelles structures sont créées, les scientifiques et les ingénieurs vont devoir élaborer de nouvelles normes et approches pour les tester, les caractériser et les évaluer, ce qui constitue un défi qui passionne McInerney.

« Étant donné que nous avons des comportements si nouveaux, nous en sommes encore à la découverte non seulement des modèles, mais aussi de la manière de les tester, des conclusions que nous en tirerions et de la manière de les intégrer dans un processus de conception », a-t-il déclaré. « Je pense que ce sont des questions auxquelles il est vraiment nécessaire de répondre avant de nous attaquer aux questions relatives aux applications. »

Étude : Polarisation topologique des tubes kagome et applications à l'isolation vibratoire (DOI : 10.1103/xn86-676c)

https://news.umich.edu/metamaterials-can-stifle-vibrations-with-intentional-complexity