Une structure en titane imprimée en 3D présente une résistance surnaturelle

L’ingénierie des matériaux franchit un nouveau cap avec le développement d’un métamatériau imprimé en 3D par des chercheurs de l’Université RMIT. Ce matériau, élaboré à partir d’un alliage de titane courant, se distingue par une structure de treillis unique qui lui confère une résistance exceptionnelle pour un poids réduit, ouvrant ainsi des perspectives inédites dans la fabrication d’implants médicaux, de pièces d’avions ou de composants de fusées.

Publiée dans la revue Advanced Materials, cette innovation se caractérise par une résistance supérieure de 50 % à celle de l’alliage le plus résistant de densité similaire actuellement utilisé dans l’aérospatiale. Ce bond significatif en matière de performance est le fruit d’une conception optimisée pour répartir le stress de manière plus homogène, améliorant ainsi l’efficacité structurelle du matériau.

Amélioration des structures de treillis inspirées par la nature

Les structures de treillis, composées de montants creux, s’inspirent de la nature, à l’image de la plante aquatique Victoria ou du corail Tubipora musica, qui combinent légèreté et solidité. Toutefois, le Professeur Ma Qian de l’Université RMIT souligne que la reproduction de ces structures cellulaires creuses en métal a longtemps été entravée par des problèmes d’applicabilité et de concentration de contraintes, entraînant des défaillances prématurées.

Le professeur Qian précise : « Idéalement, le stress dans tous les matériaux cellulaires complexes devrait être réparti de manière uniforme. Cependant, pour la plupart des topologies, il est courant que moins de la moitié du matériau supporte principalement la charge compressive, tandis que le plus grand volume de matériau est structurellement insignifiant. »

L’impression 3D métallique offre des solutions innovantes à ces problèmes. En exploitant les capacités de conception de l’impression 3D, l’équipe de RMIT a optimisé un nouveau type de structure de treillis pour distribuer le stress de manière plus uniforme.

La force propulsée par laser

La conception a été réalisée grâce à un processus appelé frittage laser sur lit de poudre, où des couches de poudre métallique sont fondues en place à l’aide d’un faisceau laser haute puissance. Les tests ont démontré que la structure imprimée, un cube de treillis en titane, était 50 % plus résistante que l’alliage de magnésium coulé WE54, l’alliage le plus résistant de densité similaire utilisé dans les applications aérospatiales.

Jordan Noronha, auteur principal de l’étude et doctorant à RMIT, indique que cette structure peut être produite à l’échelle de plusieurs millimètres ou de plusieurs mètres à l’aide de différents types d’imprimantes. La biocompatibilité, la résistance à la corrosion et à la chaleur font de ce métamatériau un candidat prometteur pour de nombreuses applications, des dispositifs médicaux aux pièces d’avions ou de fusées.

« Comparé à l’alliage de magnésium coulé le plus résistant actuellement utilisé dans les applications commerciales nécessitant une haute résistance et légèreté, notre métamatériau en titane de densité comparable s’est avéré beaucoup plus résistant », ajoute Jordan Noronha.

L’équipe prévoit de peaufiner davantage le matériau pour une efficacité maximale et d’explorer les applications dans des environnements à températures plus élevées. Bien que résistant actuellement à des températures allant jusqu’à 350 °C, ils estiment qu’il pourrait supporter des températures 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 de fabrication de ce nouveau matériau n’étant pas encore largement disponible, son adoption par l’industrie pourrait prendre du temps. « Les processus de fabrication traditionnels ne sont pas pratiques pour la fabrication de ces métamatériaux métalliques complexes, et tout le monde n’a pas de machine de frittage laser sur lit de poudre dans son entrepôt », explique encore Jordan Noronha.

Le Directeur Technique du Precinct de Fabrication Avancée de RMIT, le Professeur Milan Brandt, invite les entreprises à collaborer sur les nombreuses applications potentielles. « Notre approche consiste à identifier les défis et à créer des opportunités par le biais de la conception collaborative, de l’échange de connaissances, de l’apprentissage basé sur le travail, de la résolution de problèmes critiques et de la traduction de la recherche », conclut-il.

Légende illustration : Jordan Noronha, candidat au doctorat, tient un échantillon de la nouvelle structure en treillis de titane imprimée en 3D sous forme de cube. Crédit : RMIT.

L’article intitulé « Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength » a été publié dans Advanced Materials (DOI : 10.1002/adma.202308715).

Les auteurs remercient pour leur soutien scientifique et technique le RMIT Advanced Manufacturing Precinct et le RMIT Microscopy and Microanalysis Facility, en particulier le personnel technique Simon Brudler et Paul Spithill. Le projet a été financé par le Conseil australien de la recherche.