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Davide Ruffoni et Laura Zorzetto, chercheurs au sein de l’Unité de recherche Aérospatiale et Mécanique (A&M – Faculté de Sciences appliquées) se sont inspirés des principes de construction de la nature, et en l’occurrence de la force de résistance du bois, afin de développer un nouvelle structure synthétique pouvant atteindre une résistance à l'effondrement supérieure. Ces résultats de recherches, applicables dans de nombreux domaines allant de l’automobile à la biomécanique, viennent de faire l’objet d’une publication dans la revue Advanced Functional Materials (1).
L
e biomimétisme, ce processus d’ingénierie qui s’inspire des propriétés, des formes, des fonctions ou encore des matières du vivant, est une discipline en constante évolution qui puise ses inspirations dans les incroyables capacités de la nature. Des ingénieurs de l’Université de Liège, convaincus des propriétés offertes par le bois et surtout des fibres hélicoïdales qui le composent sont parvenus à modéliser et fabriquer une nouvelle génération de matériaux composites dont la résistance se voit renforcée. « Les fibres hélicoïdales – des fibres qui, comme leur nom l’indique sont en forme d’hélice - sont des éléments de construction polyvalents utilisés par la nature pour améliorer les performances mécaniques et ajuster le comportement local de matériaux porteurs, explique Davide Ruffoni, chargé de cours au département A&M de la Faculté des Sciences appliquées. Dans les matériaux biologiques (des matériaux fabriqués par la nature tels que le bois ou l'os) les fibres hélicoïdales sont disposées en couches multiples avec différentes orientations des fibres qui créent une hétérogénéité qui n'existe pas dans les matériaux synthétiques mais qui confère aux structures biologiques des propriétés supérieures. »
Pour tester leur concept, les chercheurs ont eu recourt à l'impression polyjet 3D et aux simulations par ordinateur pour fabriquer et caractériser des composites hélicoïdaux multicouches inspirés du bois. Ils ont pu montrer la manière dont les fonctionnalités mécaniques des structures synthétiques pouvaient être programmées en variant l'orientation des fibres et la conformité de la matrice. Ils ont ainsi pu démontrer que la résistance à la rupture pouvait être améliorée en exploitant les stratégies de conception observées dans la paroi cellulaire du bois.
C'est le cas de la structure multicouche tubulaire de la paroi cellulaire du bois, où chaque couche présente une matrice élastique souple renforcée par des fibres hélicoïdales rigides d’une taille inférieure au micromètre. « Dans le cas de notre recherche, reprend Laura Zorzetto, doctorante au sein du labo et première auteure de l’article, nous avons combiné l’impression polyjet 3D - un procédé permettant d’obtenir des objets combinant plusieurs matières et couleurs – et des simulations numériques afin d’explorer des structures cylindriques renforcés par des fibres hélicoïdales s’inspirant du bois. » Les chercheur ses sont d’abord attardé à étudier des composites présentant une couche principale contenant des fibres hélicoïdales, bordée par des couches internes et externes composées de fibrilles plus minces. Ils ont ensuite montré la manière dont les fonctionnalités mécaniques des structures synthétiques pouvaient être entièrement programmées en faisant varier l’orientation des fibres/fibrilles et la souplesse de la matrice. En procédant de la sorte, les chercheurs ont pu démontrer que la résistance à la rupture pouvait être fortement améliorée en entourant la couche hélicoïdale principale avec une quantité minime de fibrilles minces orientées perpendiculairement à la charge appliquée, comme cela a pu être observé au niveau de la structure du bois.
« Avec cette étude, nous avons pu analyser un principe de construction universel et commun à de nombreux matériaux biologiques et techniques, explique Davide Ruffoni. Nous avons réuissi à démontrer que les principes de conception biomécanique de la nature pouvaient être répliqués dans des systèmes synthétiques, à des échelles de longueurs supérieures et avec des blocs de construction complètement différents. » Ces résultats prometteurs devraient ouvrir la voie au développement de composites nouvelle generation caractérisés par des déformations localement ajustables et une absorption d'énergie hétérogène. Ceci pourrait offrir de nouvelles opportunités en ce qui concerne le développement de matériaux multifonctionnels pour une variété d'applications, allant de l'aérospatiale à l'automobile en passant par la biomécanique.
Référence Scientifique
(1) ZORZETTO L. & RUFFONI D., Wood-Inspired 3D- Printed Helical Composites with Tunable and Enhanced Mechanical Performance, in Advanced Functional Materials, 2018.
Contacts
Laura ZORZETTO
Davide RUFFONI
