News Mardi 8 juin 2021 - 18:13

Biomimétisme et fabrication additive. Lorsque la technologie aide à imiter la nature

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impression 3d mimetisme nature

Le biomimétisme désigne la transposition à l’humain des solutions naturelles, observées dans la nature. Ce processus d’innovation a longtemps été bridé par les capacités de production. L’invention de la fabrication additive a relancé ce procédé d’innovation en brisant le plafond de verre des moyens de production traditionnels. Présentation de quatre innovations bio-inspirée produites grâce à la fabrication additive. Par Quentin Halbout

Le biomimétisme désigne une innovation scientifique ou d'ingénierie qui s'inspire des procédés, des formes et des propriétés du vivant. On peut citer comme célèbre exemple l’ « ornithoptère » de Léonard de Vinci, inspirée des ailes d’une chauve-souris. Cette invention hybride, à mi-chemin entre le deltaplane et l’avion, illustre les prémices de l’aviation telle que nous la connaissons. Nous pouvons également citer le « scratch » qui a été une innovation bio-inspirée de la nature, reprenant le système du fruit de la bardane. Cependant, le biomimétisme a longtemps été bridé par l’incapacité des systèmes de production traditionnels à fabriquer des formes complexes. Ce frein technologique a longtemps empêché les chercheurs de mettre en pratique leur idées et leurs observations. La fabrication additive change la donne ! Précision, vitesse, géométrie complexe, diversité des matériaux, etc., elle ouvre de nouvelles portes pour les ingénieurs, les chercheurs et les designers dans le but d’imiter la nature.

La structure en nid d'abeille

L’un des exemples les plus parlant de biomimétisme est la structure dite « en nid d’abeilles ». Cette forme lattice est l’une des plus utilisée pour l’optimisation topologique. Comme son nom l’indique, elle est inspirée de la forme selon laquelle les abeilles construisent leur ruche. Aujourd’hui, elle tient une place particulière dans quasiment tous les logiciels d’optimisation topologique. Des chercheurs de l’université de Rice aux États-Unis ont récemment démontré l’incroyable solidité de ce schéma de conception à travers une expérience de tirs à balles réelles – à la vitesse de 5,8 kilomètres par seconde – sur quatre blocs de polymères. Trois d'entre eux étaient conçus en structure lattice, dont un selon la construction en nid d'abeilles. L'étude a démontré la robustesse et la diffusion du choc au travers un maillage lattice (voir la photo ci-contre). Cette dernière renforce profondément le cube de polymère. « [Dans les cubes de structures lattices] la balle était coincée dans la deuxième couche de la structure », explique Seyed Mohammad Sajadi, étudiant diplômé de l'université de Rice, dans cette étude. « Mais dans le bloc solide, des fissures se sont propagées à travers toute la structure ». Les tests en presse hydraulique ont également montré que la structure en nid d'abeille s'affaisse sans rompre, contrairement au cube « plein ». « Les propriétés uniques de ces structures proviennent de leur topologie complexe, qui est indépendante de l'échelle », a déclaré Chandra Sekhar Tiwary, ancien élève de l'Université de Rice, co-chercheur principal du projet et maintenant professeur adjoint à l'Institut indien de technologie, Kharagpur. « Le renforcement contrôlé par la topologie ou l'amélioration de la capacité portante peut être utile pour d'autres conceptions structurelles également ». Cette structure est utilisée dans de nombreux domaines, notamment en construction.

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structure nid abeille biomimtisme fabrication

Les structures polymères de type tubulaire créées à l'université de Rice ont mieux résisté à l'impact d'une balle que le cube de référence polymère en bas à droite. 

Plus robuste grâce au homard

Saviez-vous que le homard avait une carapace extrêmement résistante ? Elle tire cette robustesse de sa construction selon un schéma bien précis. Au fil de son évolution, l'exosquelette du homard a adopté une structure aux performances étonnantes. Bien qu’elle soit composée de chitine, une substance étudiée pour créer des substituts de plastique, ce n'est pas cette matière souple et imperméable qui donne à l'enveloppe sa robustesse. Les chercheurs de l'université RMIT, en Australie, ont étudié les raisons de cette solidité. D'après l'étude menée par Luong Pham, Guoxing Lu et Phuong Tran, intitulée « Influences du motif d'impression sur les performances mécaniques du béton renforcé en fibres imprimé en 3D », sa solidité viendrait plutôt de sa structure. L’exosquelette est composé de couches disposées en structure « Bouligand », qui correspond à des superpositions d’épaisseurs de manière hélicoïdales avec un angle qui dévie légèrement par rapport à celui de la couche inférieure. Ainsi, le changement d'une structure unidirectionnelle a une structure hélicoïdale renforce la construction.
Durant des tests de compression, les structures « non conventionnelles » étaient jusqu'à 26,5 % plus résistantes que les architectures standards unidirectionnelles.

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fabrication béton d'une structure hélicoïdale

Impression 3D béton d'une structure hélicoïdale.

Le requin comme dissipateur thermique

En termes d'innovation d’ingénierie, les animaux aquatiques ont décidément de la ressource. Outre le homard, le requin est également une grande source de biomimétisme. La structure de la peau de requin est notamment connue pour son effet aérodynamique. Les micros excroissances présentes sur son épiderme l’aident à mieux fendre les eaux. Cet effet Riplet, ou « peau de requin », a notamment inspiré certains modèles d’avion. Cependant, ce n’est pas cet aspect particulier du requin que les chercheurs en ingénierie mécanique de l'université de Purdue, aux États-Unis, ont étudié. Ils se sont inspirés de l'épiderme de la terreur des océans pour créer un outil de dissipation thermique. Comme l'explique Soumya Bandyopadhyay, doctorant en génie mécanique et en sciences et génie thermique, la clé pour des équipements technologiques efficace est de les garder au frais. Dans ce domaine, la fabrication additive offre de nouvelles possibilités. Dans le cadre du défi virtuel de conception de dissipateurs de chaleur pour les étudiants, une compétition faisant partie du ITherm 2020 sponsorisée par GE, les participants devaient concevoir un dispositif le plus efficace avec le moins de matière possible et au moindre coût. En janvier 2020, l'équipe de Purdue a commencé sa réflexion. « Nous nous sommes réunis pour réfléchir à certaines idées avec un stylo et du papier », raconte Adeline Naon, ingénieure en chef en mécanique. « L'un des facteurs qui a contribué à notre réflexion a été de nous inspirer du monde naturel, et c'est ce qui nous a conduit à la conception en peau de requin ». La peau de requin est recouverte de saillies en forme de dents appelées « denticules[1] ». Les étudiants ont ajouté ces excroissances sur les parois de leur dissipateur thermique pour réduire les chutes de pression et favoriser le brassage de l'air ainsi que des générateurs de vortex[2] pour faire « tourbillonner » l'air.  Entre les deux générateurs de vortex, les étudiants ont placé un respirateur, inspiré des poumons humains, afin "d'expirer" l'air chaud. Les étudiants de Purdue ont gagné la compétition avec ce modèle, qui s'est avéré encore plus efficace que ce qu'ils pensaient.

Le camouflage des céphalopodes

Enfin, les scientifiques se sont penchés sur les capacités de camouflage des céphalopodes. Le poulpe, le calmar et la seiche ne possèdent pas de carapaces alors, pour éviter les prédateurs et survivre, ils se cachent. Les trois sont dotés de chromatophores présent sur leur peau grâce auxquels ils modèlent la structure et de changent la couleur de leur peau. Les chercheurs de l'université de Rutgers, aux États-Unis se sont inspirés de ces capacités étonnantes pour développer un hydrogel qui change de formes et de couleurs lorsqu'il est exposé à la lumière. Cette innovation résulte donc en un « muscle artificiel » qui sert également de camouflage grâce à un nanomatériau photosensibles incorporés au gel. Cette innovation pourrait servir dans des applications militaires, robotiques, mais également dans la création des écrans de demain. « Les écrans électroniques sont partout et malgré des progrès remarquables, comme le fait qu'ils deviennent plus fins, plus grands et plus lumineux, ils sont basés sur des matériaux rigides, ce qui limite les formes qu'ils peuvent prendre et la façon dont ils interagissent avec les surfaces 3D », a déclaré l'auteur principal Howon Lee, professeur adjoint au département de génie mécanique et aérospatial de l'école d'ingénieurs de l'université Rutgers au Nouveau-Brunswick. « Nos recherches soutiennent une nouvelle approche d'ingénierie qui consiste à ajouter du camouflage aux matériaux souples et à créer des écrans flexibles et colorés ». Les ingénieurs souhaitent améliorer la réactivité, la sensibilité, l'évolutivité, la forme ainsi que la durée de vie de leur innovation. La prochaine étape pourrait être d'y incorporé la capacité de réfraction de la lumière du calamar grâce aux iridophores présents sur sa peau.

[1] Denticle

[2] Swirlers

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fabrication additive poulpe biomimetisme

Les ingénieurs de l'université de Rutgers se sont inspirés des chromatophores présents sur la peau du poulpe pour créer un hydrogel qui change de couleur.

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