Jordan Noronha, doctorant, tient un échantillon de la nouvelle structure en treillis de titane imprimée en 3D sous forme de cube. Crédit : RMIT
Un « métamatériau » imprimé en 3D offrant des niveaux de résistance par rapport à un poids qui ne sont normalement pas observés dans la nature ou dans la fabrication pourrait changer la façon dont nous fabriquons tout, des implants médicaux aux pièces d’avion ou de fusée.
Des chercheurs de l’Université RMIT ont créé le nouveau métamatériau – un terme utilisé pour décrire un matériau artificiel doté de propriétés uniques non observées dans la nature – à partir de titane commun. alliage.
Mais c’est la conception unique de la structure en treillis du matériau, récemment révélée dans la revue Matériaux avancéscela le rend tout sauf courant : les tests montrent qu’il est 50 % plus résistant que le prochain alliage le plus résistant de densité similaire utilisé dans les applications aérospatiales.
Conceptions et innovations inspirées de la nature
Les structures en treillis constituées d’entretoises creuses ont été inspirées à l’origine par la nature : des plantes robustes à tige creuse comme le nénuphar Victoria ou le corail à tuyaux d’orgue (Tubipora musica) nous ont montré comment allier légèreté et résistance.
Un échantillon de la nouvelle structure en treillis de titane imprimé en 3D sous forme de cube. Crédit : RMIT. nouvelle structure en treillis de titane imprimée en 3D sous forme de cube. Crédit : RMIT
Cependant, comme l’explique Ma Qian, professeur émérite du RMIT, des décennies de tentatives pour reproduire ces « structures cellulaires » creuses dans les métaux ont été contrecarrées par les problèmes courants de fabricabilité et de contrainte de charge concentrée sur les zones intérieures des entretoises creuses, conduisant à des défaillances prématurées.
« Idéalement, le stress dans tous les matériaux cellulaires complexes devrait être réparti uniformément », a expliqué Qian.
« Cependant, pour la plupart des topologies, il est courant que moins de la moitié du matériau supporte principalement la charge de compression, tandis que le plus grand volume de matériau est structurellement insignifiant. »
L’impression 3D métal apporte des solutions innovantes sans précédent à ces problématiques.
En poussant la conception par impression 3D à ses limites, l’équipe RMIT a optimisé un nouveau type de structure en treillis pour répartir les contraintes plus uniformément, améliorant ainsi sa résistance ou son efficacité structurelle.
«Nous avons conçu une structure en treillis tubulaire creux comportant une fine bande à l’intérieur. Ces deux éléments réunis montrent une force et une légèreté jamais vues ensemble dans la nature », a déclaré Qian.
« En fusionnant efficacement deux structures de treillis complémentaires pour répartir uniformément les contraintes, nous évitons les points faibles où les contraintes se concentrent normalement. »
Les tests de compression montrent (à gauche) les concentrations de contraintes en rouge et jaune sur le treillis à entretoise creuse, tandis que (à droite) la structure à double treillis répartit les contraintes plus uniformément pour éviter les points chauds. Crédit : RMIT
Techniques de fabrication avancées
L’équipe a imprimé cette conception en 3D au Advanced Manufacturing Precinct du RMIT en utilisant un processus appelé fusion sur lit de poudre laser, où des couches de poudre métallique sont fondues à l’aide d’un faisceau laser de haute puissance.
Les tests ont montré que le motif imprimé – un cube en treillis de titane – était 50 % plus résistant que l’alliage de magnésium moulé WE54, l’alliage le plus résistant de densité similaire utilisé dans les applications aérospatiales. La nouvelle structure avait effectivement réduit de moitié la quantité de contrainte concentrée sur les fameux points faibles du treillis.
La conception à double treillis signifie également que les fissures sont déviées le long de la structure, améliorant encore la résistance.
Professeur Martin Leary, professeur Ma Qian, Jordan Noronha et professeur Milan Brandt au Centre de fabrication additive du RMIT. Crédit : RMIT
L’auteur principal de l’étude et doctorant au RMIT, Jordan Noronha, a déclaré qu’ils pourraient réaliser cette structure à l’échelle de plusieurs millimètres ou plusieurs mètres en utilisant différents types d’imprimantes.
Cette imprimabilité, ainsi que sa solidité, sa biocompatibilité, sa résistance à la corrosion et à la chaleur en font un candidat prometteur pour de nombreuses applications, depuis les dispositifs médicaux tels que les implants osseux jusqu’aux pièces d’avion ou de fusée.
Applications futures et adoption par l’industrie
« Comparé à l’alliage de magnésium moulé le plus résistant disponible actuellement utilisé dans les applications commerciales nécessitant une résistance élevée et un poids léger, notre métamatériau en titane avec une densité comparable s’est avéré beaucoup plus résistant ou moins susceptible de changer de forme permanente sous charge de compression, sans parler de sa faisabilité. fabriquer », a déclaré Noronha.
L’équipe prévoit d’affiner davantage le matériau pour une efficacité maximale et d’explorer des applications dans des environnements à température plus élevée.
Bien qu’actuellement résistant à des températures allant jusqu’à 350 °C, ils pensent qu’il pourrait être conçu pour résister à des températures allant jusqu’à 600 °C en utilisant des alliages de titane plus résistants à la chaleur, pour des applications dans l’aérospatiale ou les drones de lutte contre les incendies.
La technologie permettant de fabriquer ce nouveau matériau n’étant pas encore largement disponible, son adoption par l’industrie pourrait prendre un certain temps.
Jordan Noronha, doctorant, tient un échantillon de la nouvelle structure en treillis de titane imprimée en 3D sous forme de cube. Crédit : RMIT
« Les processus de fabrication traditionnels ne sont pas pratiques pour la fabrication de ces métaux complexes. métamatériauxet tout le monde n’a pas une machine de fusion laser sur lit de poudre dans son entrepôt », a-t-il déclaré.
« Cependant, à mesure que la technologie se développera, elle deviendra plus accessible et le processus d’impression deviendra beaucoup plus rapide, permettant à un public plus large de mettre en œuvre nos métamatériaux multi-topologies à haute résistance dans leurs composants. Il est important de noter que l’impression 3D métallique permet une fabrication facile de formes nettes pour des applications réelles.
Le directeur technique du Advanced Manufacturing Precinct du RMIT, le professeur distingué Milan Brandt, a déclaré que l’équipe accueillait favorablement les entreprises souhaitant collaborer sur les nombreuses applications potentielles.
« Notre approche consiste à identifier les défis et à créer des opportunités grâce à la conception collaborative, à l’échange de connaissances, à l’apprentissage par le travail, à la résolution de problèmes critiques et à l’application de la recherche », a-t-il déclaré.
Les auteurs reconnaissent le soutien scientifique et technique du RMIT Advanced Manufacturing Precinct et du RMIT Microscopy and Microanalysis Facility, en particulier du personnel technique Simon Brudler et Paul Spithill. Le projet a été financé par le Conseil australien de la recherche.
