Lors des tests en laboratoire, une nouvelle conception de rembourrage, à droite, a surpassé les technologies plus conventionnelles comme une mousse, à gauche, fabriquée à partir du même matériau élastique. Crédit : Lawrence Smith
Les joueurs de football (et tous ceux qui subissent des coups durs) voudront peut-être pousser un soupir de soulagement.
Dans le cadre de recherches récentes, des ingénieurs de l’Université du Colorado à Boulder et des Sandia National Laboratories ont développé une nouvelle conception de rembourrage capable de résister à des impacts importants. Les innovations de l’équipe, qui peuvent être imprimées sur des imprimantes 3D disponibles dans le commerce, pourraient un jour aboutir à tout, des caisses d’expédition aux tapis de football, tout ce qui aide à protéger les objets ou les corps fragiles des aléas de la vie.
L’équipe a décrit la technologie dans un article récemment publié dans la revue Technologies des matériaux avancés.
« L’atténuation des impacts est quelque chose qui est important partout », a déclaré Robert MacCurdy, auteur correspondant de l’étude et professeur adjoint au département Paul M. Rady de génie mécanique de CU Boulder. « On le trouve dans les barrières de sécurité routières, les genouillères et les coudières, ainsi que dans les équipements d’emballage. »
La recherche jette un nouveau regard sur quelque chose que la plupart des gens rencontrent tout le temps mais remarquent rarement : les mousses. Ce sont des matériaux spongieux remplis d’innombrables petits trous et canaux. Imaginez emballer des cacahuètes ou des balles anti-stress. MacCurdy a déclaré que les mousses peuvent être efficaces pour absorber les coups, mais elles présentent un inconvénient majeur : si vous pressez une mousse suffisamment fort, elle finira par se comprimer en une bourre rigide.
Lors d’expériences en laboratoire, les ingénieurs de CU Boulder ont imprimé en 3D de nouveaux modèles de rembourrage, puis les ont écrasés avec une machine puissante. Les créations de l’équipe ont résisté aux impacts, absorbant plusieurs fois plus d’énergie que les conceptions traditionnelles, ou mousses, fabriquées à partir du même matériau. Crédit : Lawrence Smith
Lui et ses collègues pensent qu’ils peuvent faire mieux.
Dans la nouvelle étude, le groupe a écrit des algorithmes informatiques pour redessiner méticuleusement l’intérieur des matériaux de rembourrage, leur permettant de se déformer sous l’effet de la force, mais uniquement en suivant un modèle minutieux. Lorsque le groupe a testé ses conceptions en laboratoire, ils ont découvert que leur rembourrage pouvait absorber jusqu’à 25 % de force en plus que les technologies de pointe actuelles.
« Le matériau que vous utilisez pour absorber les impacts est important », a déclaré MacCurdy. « Mais ce qui compte vraiment, c’est la géométrie. »
Zoomer
Pour comprendre pourquoi certains coussins fonctionnent bien et d’autres non, il est utile de regarder au plus profond de soi.
Ce qui donne son ressort à une mousse, par exemple, ce sont tous ces petits coins et recoins. Lorsque vous pressez une éponge, explique MacCurdy, ces espaces vides commencent à se refermer, ce qui, à son tour, absorbe de l’énergie.
Certains ingénieurs sont allés au-delà de cette conception de base. Au lieu de cela, ils fabriquent un rembourrage à partir d’un réseau de tours hexagonales, ou « treillis de plaques », qui ressemblent un peu à des nids d’abeilles. Si un secondeur s’écrase, par exemple, sur ce type de coussin, l’impact provoquera l’effondrement des nids d’abeilles selon un motif semblable à une vague. C’est un moyen plus efficace d’absorber les forces.
Mais, a noté MacCurdy, les chercheurs s’efforcent depuis longtemps de créer un rembourrage qui réponde à une norme de référence : une technologie qui non seulement absorbe beaucoup de force, mais peut également absorber de nombreux types de forces différents avec la même finesse.
« Si vous faites du vélo et que vous avez un accident, vous ne savez pas s’il s’agira d’un impact à basse vitesse ou à grande vitesse. Quoi qu’il en soit, vous vous attendez à ce que votre casque soit performant », a-t-il déclaré. « Nous essayons de développer une géométrie qui fonctionne bien dans tous ces scénarios. »
Donner la pression
Pour créer un coussin plus polyvalent, l’ingénieur et ses collègues ont choisi de réorganiser l’intérieur de ces objets, à l’échelle d’un millimètre ou moins.
Le groupe a d’abord utilisé un logiciel personnalisé pour disposer un réseau de nids d’abeilles, puis les a peaufinés pour inclure quelques défauts, un peu comme le soufflet d’un accordéon. Ces plis aident à guider les nids d’abeilles lorsqu’ils s’effondrent lors d’un impact, permettant un effondrement beaucoup plus fluide.
« Dès que vous commencez à comprimer ces structures, elles absorbent une certaine quantité de force », a déclaré MacCurdy. « Les meilleures conceptions d’absorbeurs maintiennent une force constante sur toute la plage de compression. »
En d’autres termes, contrairement à une mousse, ces coussins se comporteront de la même manière, peu importe à quel point vous les écraserez – ou du moins jusqu’à un certain maximum.
Les chercheurs voulaient également s’assurer que leur rembourrage puisse résister aux chocs et aux contusions du monde réel. Ils ont utilisé une imprimante 3D pour créer des blocs de la taille d’une petite brique à partir d’un matériau élastique appelé polyuréthane thermoplastique. Ensuite, ils les ont pressés avec une machine d’essai d’impact.
Le groupe a découvert que ses blocs pouvaient absorber environ six fois plus d’énergie que les mousses standards fabriquées à partir du même matériau, et jusqu’à 25 % de plus que les autres modèles en nid d’abeille. MacCurdy et ses collègues travaillent actuellement à améliorer encore davantage leurs structures. Il a ajouté que les ingénieurs peuvent réaliser ce type de conception à partir de nombreux types de matériaux différents, des plastiques gonflables aux substances plus dures comme l’aluminium.
En d’autres termes, le monde pourrait bientôt devenir beaucoup plus doux.
