Une avancée majeure dans le domaine des matériaux imprimés en 3D pourrait ouvrir une nouvelle voie à la sécurité des véhicules
infohightech ·
Un nouveau métamatériau torsadé imprimé en 3D, capable d'atténuer les effets des impacts, pourrait améliorer la protection des véhicules contre les collisions dans les années à venir.
Des chercheurs d'universités écossaises et italiennes sont à l'origine du développement de ce matériau, dont la forme en treillis unique lui permet de se tordre sur lui-même pour une protection efficace contre divers types et intensités d'impact.
Les « métamatériaux torsadés adaptatifs » de l'équipe, présentés dans un article publié dans la revue Advanced Materials , adoptent une approche différente des matériaux de protection contre les impacts actuellement utilisés.
Contrairement aux mousses conventionnelles ou aux zones de déformation, qui offrent une résistance prédéterminée aux impacts, la réponse du matériau aux chocs peut être contrôlée mécaniquement, modifiant ainsi son absorption d'énergie. Les matériaux peuvent être ajustés avec précision pour offrir une résistance plus ferme aux chocs violents ou un amorti plus souple aux impacts plus légers.
Les matériaux sont fabriqués en acier par fabrication additive, un procédé plus connu sous le nom d'impression 3D. Ce procédé permet à l'équipe de contrôler finement l'architecture du matériau, lui permettant de tisser une forme complexe et hautement poreuse, appelée treillis gyroïde.
Lorsque le matériau est comprimé par une force externe, il se tord en un mouvement de tire-bouchon, absorbant l'énergie de l'impact. Lors d'expériences en laboratoire, l'équipe a testé trois versions du matériau afin d'évaluer leur réponse à deux types de charges : des impacts rapides et des déformations plus lentes et à croissance constante.
Lorsque le métamatériau était totalement immobilisé face aux impacts, il offrait une rigidité maximale et absorbait le plus d'énergie : 15,36 joules d'énergie par gramme de matériau. Lorsque le matériau a été laissé se tordre librement, sa rigidité et son absorption d'énergie ont diminué d'environ 10 %. Dans la troisième configuration du matériau, il a été contraint de se tordre excessivement, réduisant l'absorption d'énergie de 33 %. Les résultats montrent que le matériau a le potentiel d'offrir une gamme de protections, allant d'un blindage rigide à une absorption d'énergie plus souple.
Les tests en conditions réelles de l'équipe s'appuient sur un modèle théorique et informatique complet, capable de prédire avec précision le comportement complexe des réseaux gyroïdes en torsion sous différentes vitesses de déformation. Pour un alignement numérique-expérimental précis, les imperfections géométriques introduites lors de la fabrication additive ont été quantifiées en intégrant des reconstructions micro-CT des réseaux imprimés.
Le professeur Shanmugam Kumar de la James Watt School of Engineering de l'Université de Glasgow a dirigé la recherche. Il a déclaré : « Les matériaux de protection utilisés dans la plupart des véhicules actuels sont statiques, conçus pour des scénarios d'impact spécifiques et incapables de s'adapter à des conditions variables.
Cette étude présente les métamatériaux à torsion adaptative comme une nouvelle classe de métamatériaux qui ne nécessitent aucune électronique ou hydraulique complexe pour s'adapter. Au lieu de cela, ils peuvent s'adapter simplement par contrôle mécanique de la rotation. Lorsqu'une compression est appliquée, le réseau gyroïde la transforme en torsion, et en modifiant les conditions aux limites, on peut ajuster les caractéristiques d'absorption d'énergie. Ces matériaux peuvent s'adapter et modifier leurs caractéristiques en fonction du type et de la gravité de l'impact afin d'en atténuer les effets.
Nous pensons que ce matériau pourrait trouver des applications dans les secteurs de la sécurité automobile et aérospatiale, offrant ainsi une nouvelle classe de matériaux unique capable de s'adapter à différents besoins. Il pourrait également favoriser le développement de nouvelles formes de récupération d'énergie, en convertissant les impacts en énergie cinétique rotationnelle. Des chercheurs de l'Université polytechnique des Marches, de l'Université de L'Aquila et de l'Institut national de physique nucléaire (Italie) ont contribué à la recherche et sont co-auteurs de l'article. Intitulé « Métamatériaux à torsion adaptative"