Fabriqués selon des techniques empruntées au découpage du papier japonais, les solides treillis métalliques sont plus légers que le liège et possèdent des propriétés mécaniques personnalisables.
Les solides cellulaires sont des matériaux composés de nombreuses cellules emballées ensemble, comme un nid d'abeilles. La forme de ces cellules détermine en grande partie les propriétés mécaniques du matériau, notamment sa rigidité ou sa résistance. Les os, par exemple, sont remplis d’un matériau naturel qui leur permet d’être légers, mais rigides et solides.
Inspirés par les os et autres solides cellulaires trouvés dans la nature, les humains ont utilisé le même concept pour développer des matériaux architecturés. En modifiant la géométrie des cellules unitaires qui composent ces matériaux, les chercheurs peuvent personnaliser les propriétés mécaniques, thermiques ou acoustiques du matériau. Les matériaux architecturés sont utilisés dans de nombreuses applications, de la mousse d'emballage absorbant les chocs aux radiateurs de régulation thermique.
AVECLa percée de dans les matériaux architecturés
En utilisant le kirigami, l'art japonais ancien du pliage et de la découpe du papier, les chercheurs du MIT ont désormais fabriqué un type de matériau architecturé haute performance connu sous le nom de treillis en plaques, à une échelle beaucoup plus grande que celle que les scientifiques pouvaient auparavant réaliser par fabrication additive. Cette technique leur permet de créer ces structures à partir de métal ou d'autres matériaux avec des formes personnalisées et des propriétés mécaniques spécifiquement adaptées.
"Ce matériau ressemble au liège en acier. Il est plus léger que le liège, mais avec une résistance et une rigidité élevées", explique le professeur Neil Gershenfeld, qui dirige le Center for Bits and Atoms (CBA) au MIT et est l'auteur principal d'un nouvel article sur cette approche.
Les chercheurs ont développé un processus de construction modulaire dans lequel de nombreux composants plus petits sont formés, pliés et assemblés en formes 3D. En utilisant cette méthode, ils ont fabriqué des structures et des robots ultralégers et ultrarésistants qui, sous une charge spécifiée, peuvent se transformer et conserver leur forme.
Étant donné que ces structures sont légères mais solides, rigides et relativement faciles à produire en série à plus grande échelle, elles pourraient être particulièrement utiles dans les composants architecturaux, aéronautiques, automobiles ou aérospatiaux.
Les co-auteurs principaux, Alfonso Parra Rubio, assistant de recherche à l'ABC, et Klara Mundilova, étudiante diplômée en génie électrique et en informatique du MIT, se joignent à Gershenfeld pour l'article ; avec David Preiss, étudiant diplômé de l'ABC; et Erik D. Demaine, professeur d'informatique au MIT. La recherche a été présentée à la conférence Computers and Information in Engineering de l’ASME.
Fabrication par pliage
Les matériaux architecturés, comme les treillis, sont souvent utilisés comme noyaux pour un type de matériau composite appelé structure sandwich. Pour imaginer une structure sandwich, pensez à une aile d'avion, où une série de poutres diagonales qui se croisent forment un noyau en treillis pris en sandwich entre un panneau supérieur et un panneau inférieur. Ce treillis en treillis présente une rigidité et une résistance élevées, tout en étant très léger.
Les treillis de plaques sont des structures cellulaires constituées d’intersections tridimensionnelles de plaques plutôt que de poutres. Ces structures hautes performances sont encore plus solides et plus rigides que les treillis en treillis, mais leur forme complexe les rend difficiles à fabriquer à l'aide de techniques courantes telles que l'impression 3D, en particulier pour les applications d'ingénierie à grande échelle.
Les chercheurs du MIT ont surmonté ces défis de fabrication en utilisant le kirigami, une technique permettant de créer des formes 3D en pliant et en découpant du papier qui retrace son histoire jusqu'aux artistes japonais du VIIe siècle.
Le Kirigami a été utilisé pour produire des treillis en plaques à partir de plis en zigzag partiellement pliés. Mais pour réaliser une structure sandwich, il faut fixer des plaques plates en haut et en bas de cette âme ondulée sur les points étroits formés par les plis en zigzag. Cela nécessite souvent des adhésifs puissants ou des techniques de soudage qui peuvent rendre l'assemblage lent, coûteux et difficile à mettre à l'échelle.
Les chercheurs du MIT ont modifié un motif de pli origami commun, connu sous le nom de motif Miura-ori, de sorte que les pointes acérées de la structure ondulée soient transformées en facettes. Les facettes, comme celles d'un diamant, offrent des surfaces planes sur lesquelles les plaques peuvent être fixées plus facilement, avec des boulons ou des rivets.
« Les treillis à plaques surpassent les treillis à poutres en termes de résistance et de rigidité tout en conservant le même poids et la même structure interne », explique Parra Rubio. « L'atteinte de la limite supérieure HS pour la rigidité et la résistance théoriques a été démontrée grâce àà l'échelle nanométriqueproduction par lithographie biphotonique. La construction de réseaux de plaques a été si difficile qu’il y a eu peu de recherches à l’échelle macro. Nous pensons que le pliage est une voie vers une utilisation plus facile de ce type de structure en plaques fabriquées à partir de métaux.
Propriétés personnalisables
De plus, la façon dont les chercheurs conçoivent, plient et coupent le motif leur permet d’ajuster certaines propriétés mécaniques, telles que la rigidité, la résistance et le module de flexion (la tendance d’un matériau à résister à la flexion). Ils codent ces informations, ainsi que la forme 3D, dans une carte de pliage utilisée pour créer ces ondulations kirigami.
Par exemple, en fonction de la façon dont les plis sont conçus, certaines cellules peuvent être façonnées de manière à conserver leur forme lorsqu'elles sont compressées, tandis que d'autres peuvent être modifiées pour se plier. De cette manière, les chercheurs peuvent contrôler avec précision la déformation des différentes zones de la structure lorsqu’elles sont comprimées.
La flexibilité de la structure pouvant être contrôlée, ces ondulations pourraient être utilisées dans des robots ou d'autres applications dynamiques avec des pièces qui bougent, se tordent et se plient.
Pour fabriquer des structures plus grandes comme des robots, les chercheurs ont introduit un processus d'assemblage modulaire. Ils produisent en masse des motifs de plis plus petits et les assemblent en structures 3D ultralégères et ultrarésistantes. Les structures plus petites ont moins de plis, ce qui simplifie le processus de fabrication.
En utilisant le motif Miura-ori adapté, les chercheurs créent un motif de pli qui donnera la forme et les propriétés structurelles souhaitées. Ensuite, ils utilisent une machine unique – une table de découpe Zund – pour découper un panneau métallique plat qu’ils plient en forme 3D.
"Pour fabriquer des choses comme des voitures et des avions, un investissement énorme est consacré à l'outillage. Ce processus de fabrication se fait sans outillage, comme l'impression 3D. Mais contrairement à l'impression 3D, notre processus peut fixer la limite des propriétés record des matériaux", explique Gershenfeld.
Grâce à leur méthode, ils ont produit des structures en aluminium avec une résistance à la compression de plus de 62 kilonewtons, mais un poids de seulement 90 kilogrammes par mètre carré. (Le liège pèse environ 100 kilogrammes par mètre carré.) Leurs structures étaient si solides qu'elles pouvaient résister à trois fois plus de force qu'une ondulation en aluminium typique.
Cette technique polyvalente pourrait être utilisée pour de nombreux matériaux, tels que l’acier et les composites, ce qui la rendrait bien adaptée à la production de composants légers absorbant les chocs pour les avions, les automobiles ou les engins spatiaux.
Cependant, les chercheurs ont constaté que leur méthode peut être difficile à modéliser. Ainsi, à l’avenir, ils prévoient de développer des outils de conception CAO conviviaux pour ces structures en treillis en plaques kirigami. En outre, ils souhaitent explorer des méthodes permettant de réduire les coûts de calcul liés à la simulation d’une conception produisant les propriétés souhaitées.
Art et utilité dans les matériaux architecturés
"Les ondulations Kirigami présentent un potentiel passionnant pour la construction architecturale", déclare James Coleman MArch '14, SM '14, co-fondateur de la société de conception, de fabrication et d'installation SumPoint et ancien vice-président de l'innovation et de la R&D chez Zahner, qui n'a pas été impliqué dans ce travail.
"D'après mon expérience dans la production de projets architecturaux complexes, les méthodes actuelles de construction d'éléments incurvés et doublement incurvés à grande échelle sont gourmandes en matériaux et génèrent un gaspillage, et sont donc jugées peu pratiques pour la plupart des projets. Bien que la technologie des auteurs offre de nouvelles solutions aux industries aérospatiale et automobile, je pense que leur méthode basée sur les cellules peut également avoir un impact significatif sur l'environnement bâti. La capacité de fabriquer diverses géométries de treillis de plaques avec des propriétés spécifiques pourrait permettre des bâtiments plus performants et plus expressifs avec moins de matériaux.
« Adieu les lourdes structures en acier et en béton, bonjour les treillis légers ! »
Parra Rubio, Mundilova et d'autres étudiants diplômés du MIT ont également utilisé cette technique pour créer trois œuvres d'art pliées à grande échelle à partir d'un composite d'aluminium qui sontexposé au MIT Media Lab. Malgré le fait que chaque œuvre mesure plusieurs mètres de long, la fabrication des structures n’a pris que quelques heures.
"En fin de compte, la création artistique n'est possible que grâce aux contributions mathématiques et techniques que nous montrons dans nos articles. Mais nous ne voulons pas ignorer la puissance esthétique de notre travail", déclare Parra Rubio.
Reference: “Kirigami Corrugations: Strong, Modular, and Programmable Plate Lattices” by Alfonso Parra Rubio, Klara Mundilova, David Preiss, Erik D. Demaine and Neil Gershenfeld,DETC2023.
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Ce travail a été financé, en partie, par le Center for Bits and Atoms Research Consortia, une bourse internationale AAUW et une subvention GWI Fay Weber.
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Fabriqués selon des techniques empruntées au découpage du papier japonais, les solides treillis métalliques sont plus légers que le liège et possèdent des propriétés mécaniques personnalisables.
Les solides cellulaires sont des matériaux composés de nombreuses cellules emballées ensemble, comme un nid d'abeilles. La forme de ces cellules détermine en grande partie les propriétés mécaniques du matériau, notamment sa rigidité ou sa résistance. Les os, par exemple, sont remplis d’un matériau naturel qui leur permet d’être légers, mais rigides et solides.
Inspirés par les os et autres solides cellulaires trouvés dans la nature, les humains ont utilisé le même concept pour développer des matériaux architecturés. En modifiant la géométrie des cellules unitaires qui composent ces matériaux, les chercheurs peuvent personnaliser les propriétés mécaniques, thermiques ou acoustiques du matériau. Les matériaux architecturés sont utilisés dans de nombreuses applications, de la mousse d'emballage absorbant les chocs aux radiateurs de régulation thermique.
AVECLa percée de dans les matériaux architecturés
En utilisant le kirigami, l'art japonais ancien du pliage et de la découpe du papier, les chercheurs du MIT ont désormais fabriqué un type de matériau architecturé haute performance connu sous le nom de treillis en plaques, à une échelle beaucoup plus grande que celle que les scientifiques pouvaient auparavant réaliser par fabrication additive. Cette technique leur permet de créer ces structures à partir de métal ou d'autres matériaux avec des formes personnalisées et des propriétés mécaniques spécifiquement adaptées.
"Ce matériau ressemble au liège en acier. Il est plus léger que le liège, mais avec une résistance et une rigidité élevées", explique le professeur Neil Gershenfeld, qui dirige le Center for Bits and Atoms (CBA) au MIT et est l'auteur principal d'un nouvel article sur cette approche.
Les chercheurs ont développé un processus de construction modulaire dans lequel de nombreux composants plus petits sont formés, pliés et assemblés en formes 3D. En utilisant cette méthode, ils ont fabriqué des structures et des robots ultralégers et ultrarésistants qui, sous une charge spécifiée, peuvent se transformer et conserver leur forme.
Étant donné que ces structures sont légères mais solides, rigides et relativement faciles à produire en série à plus grande échelle, elles pourraient être particulièrement utiles dans les composants architecturaux, aéronautiques, automobiles ou aérospatiaux.
Les co-auteurs principaux, Alfonso Parra Rubio, assistant de recherche à l'ABC, et Klara Mundilova, étudiante diplômée en génie électrique et en informatique du MIT, se joignent à Gershenfeld pour l'article ; avec David Preiss, étudiant diplômé de l'ABC; et Erik D. Demaine, professeur d'informatique au MIT. La recherche a été présentée à la conférence Computers and Information in Engineering de l’ASME.
Fabrication par pliage
Les matériaux architecturés, comme les treillis, sont souvent utilisés comme noyaux pour un type de matériau composite appelé structure sandwich. Pour imaginer une structure sandwich, pensez à une aile d'avion, où une série de poutres diagonales qui se croisent forment un noyau en treillis pris en sandwich entre un panneau supérieur et un panneau inférieur. Ce treillis en treillis présente une rigidité et une résistance élevées, tout en étant très léger.
Les treillis de plaques sont des structures cellulaires constituées d’intersections tridimensionnelles de plaques plutôt que de poutres. Ces structures hautes performances sont encore plus solides et plus rigides que les treillis en treillis, mais leur forme complexe les rend difficiles à fabriquer à l'aide de techniques courantes telles que l'impression 3D, en particulier pour les applications d'ingénierie à grande échelle.
Les chercheurs du MIT ont surmonté ces défis de fabrication en utilisant le kirigami, une technique permettant de créer des formes 3D en pliant et en découpant du papier qui retrace son histoire jusqu'aux artistes japonais du VIIe siècle.
Le Kirigami a été utilisé pour produire des treillis en plaques à partir de plis en zigzag partiellement pliés. Mais pour réaliser une structure sandwich, il faut fixer des plaques plates en haut et en bas de cette âme ondulée sur les points étroits formés par les plis en zigzag. Cela nécessite souvent des adhésifs puissants ou des techniques de soudage qui peuvent rendre l'assemblage lent, coûteux et difficile à mettre à l'échelle.
Les chercheurs du MIT ont modifié un motif de pli origami commun, connu sous le nom de motif Miura-ori, de sorte que les pointes acérées de la structure ondulée soient transformées en facettes. Les facettes, comme celles d'un diamant, offrent des surfaces planes sur lesquelles les plaques peuvent être fixées plus facilement, avec des boulons ou des rivets.
« Les treillis à plaques surpassent les treillis à poutres en termes de résistance et de rigidité tout en conservant le même poids et la même structure interne », explique Parra Rubio. « L'atteinte de la limite supérieure HS pour la rigidité et la résistance théoriques a été démontrée grâce àà l'échelle nanométriqueproduction par lithographie biphotonique. La construction de réseaux de plaques a été si difficile qu’il y a eu peu de recherches à l’échelle macro. Nous pensons que le pliage est une voie vers une utilisation plus facile de ce type de structure en plaques fabriquées à partir de métaux.
Propriétés personnalisables
De plus, la façon dont les chercheurs conçoivent, plient et coupent le motif leur permet d’ajuster certaines propriétés mécaniques, telles que la rigidité, la résistance et le module de flexion (la tendance d’un matériau à résister à la flexion). Ils codent ces informations, ainsi que la forme 3D, dans une carte de pliage utilisée pour créer ces ondulations kirigami.
Par exemple, en fonction de la façon dont les plis sont conçus, certaines cellules peuvent être façonnées de manière à conserver leur forme lorsqu'elles sont compressées, tandis que d'autres peuvent être modifiées pour se plier. De cette manière, les chercheurs peuvent contrôler avec précision la déformation des différentes zones de la structure lorsqu’elles sont comprimées.
La flexibilité de la structure pouvant être contrôlée, ces ondulations pourraient être utilisées dans des robots ou d'autres applications dynamiques avec des pièces qui bougent, se tordent et se plient.
Pour fabriquer des structures plus grandes comme des robots, les chercheurs ont introduit un processus d'assemblage modulaire. Ils produisent en masse des motifs de plis plus petits et les assemblent en structures 3D ultralégères et ultrarésistantes. Les structures plus petites ont moins de plis, ce qui simplifie le processus de fabrication.
En utilisant le motif Miura-ori adapté, les chercheurs créent un motif de pli qui donnera la forme et les propriétés structurelles souhaitées. Ensuite, ils utilisent une machine unique – une table de découpe Zund – pour découper un panneau métallique plat qu’ils plient en forme 3D.
"Pour fabriquer des choses comme des voitures et des avions, un investissement énorme est consacré à l'outillage. Ce processus de fabrication se fait sans outillage, comme l'impression 3D. Mais contrairement à l'impression 3D, notre processus peut fixer la limite des propriétés record des matériaux", explique Gershenfeld.
Grâce à leur méthode, ils ont produit des structures en aluminium avec une résistance à la compression de plus de 62 kilonewtons, mais un poids de seulement 90 kilogrammes par mètre carré. (Le liège pèse environ 100 kilogrammes par mètre carré.) Leurs structures étaient si solides qu'elles pouvaient résister à trois fois plus de force qu'une ondulation en aluminium typique.
Cette technique polyvalente pourrait être utilisée pour de nombreux matériaux, tels que l’acier et les composites, ce qui la rendrait bien adaptée à la production de composants légers absorbant les chocs pour les avions, les automobiles ou les engins spatiaux.
Cependant, les chercheurs ont constaté que leur méthode peut être difficile à modéliser. Ainsi, à l’avenir, ils prévoient de développer des outils de conception CAO conviviaux pour ces structures en treillis en plaques kirigami. En outre, ils souhaitent explorer des méthodes permettant de réduire les coûts de calcul liés à la simulation d’une conception produisant les propriétés souhaitées.
Art et utilité dans les matériaux architecturés
"Les ondulations Kirigami présentent un potentiel passionnant pour la construction architecturale", déclare James Coleman MArch '14, SM '14, co-fondateur de la société de conception, de fabrication et d'installation SumPoint et ancien vice-président de l'innovation et de la R&D chez Zahner, qui n'a pas été impliqué dans ce travail.
"D'après mon expérience dans la production de projets architecturaux complexes, les méthodes actuelles de construction d'éléments incurvés et doublement incurvés à grande échelle sont gourmandes en matériaux et génèrent un gaspillage, et sont donc jugées peu pratiques pour la plupart des projets. Bien que la technologie des auteurs offre de nouvelles solutions aux industries aérospatiale et automobile, je pense que leur méthode basée sur les cellules peut également avoir un impact significatif sur l'environnement bâti. La capacité de fabriquer diverses géométries de treillis de plaques avec des propriétés spécifiques pourrait permettre des bâtiments plus performants et plus expressifs avec moins de matériaux.
« Adieu les lourdes structures en acier et en béton, bonjour les treillis légers ! »
Parra Rubio, Mundilova et d'autres étudiants diplômés du MIT ont également utilisé cette technique pour créer trois œuvres d'art pliées à grande échelle à partir d'un composite d'aluminium qui sontexposé au MIT Media Lab. Malgré le fait que chaque œuvre mesure plusieurs mètres de long, la fabrication des structures n’a pris que quelques heures.
"En fin de compte, la création artistique n'est possible que grâce aux contributions mathématiques et techniques que nous montrons dans nos articles. Mais nous ne voulons pas ignorer la puissance esthétique de notre travail", déclare Parra Rubio.
Reference: “Kirigami Corrugations: Strong, Modular, and Programmable Plate Lattices” by Alfonso Parra Rubio, Klara Mundilova, David Preiss, Erik D. Demaine and Neil Gershenfeld,DETC2023.
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