fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Université nationale de Séoul (Seoul National University) a développé un nouveau type de matériau structurel ultraléger, en construisant un treillis de fibre de carbone à l'échelle mésoscopique grâce à une méthode de fabrication appelée enroulement de nœuds 3D (3D node winding). Ce matériau présente un rapport résistance/poids comparable à celui de l'aluminium, mais ne pèse qu'un centième de ce dernier. Les résultats ont été publiés dans Nature Communications, démontrant une nouvelle méthode pour construire des structures solides et légères sans nécessiter de joints ni d'assemblage par couches, éliminant ainsi un obstacle clé dans la conception de structures tridimensionnelles complexes à partir de composants discrets.
Pour des applications telles que les drones, les robots, les véhicules et les systèmes aérospatiaux, les matériaux à haute résistance et légers sont essentiels. Bien que les composites traditionnels en fibre de carbone offrent un excellent rapport résistance/poids, ils sont généralement fabriqués par superposition ou assemblage de plusieurs pièces, ce qui limite la flexibilité de conception et crée des interfaces faibles. Les composites avancés imprimés en 3D reposent également sur une fabrication couche par couche, introduisant des frontières internes qui entravent le transfert de charge, obligeant les concepteurs à faire un compromis entre la complexité structurelle et la fiabilité mécanique.
Au lieu d'assembler ou d'empiler des matériaux, l'équipe de recherche place directement une seule fibre de carbone continue dans un espace tridimensionnel pour définir la structure. Le processus commence par un support temporaire définissant la géométrie des nœuds, autour duquel de longues fibres de carbone sont enroulées pour former un réseau de treillis spatial. Une fois la géométrie déterminée, le matériau est imprégné de résine et solidifié pour obtenir un composite solide. Comme les fibres restent continues dans toute la structure, les forces peuvent être transmises sans interruption, évitant ainsi les concentrations de contraintes et les points de défaillance associés aux joints et aux interfaces.
La nouvelle structure en treillis de fibre de carbone atteint une résistance à la compression de 10 à 30 mégapascals, comparable à celle du béton, tout en offrant un rapport résistance/poids de niveau aluminium avec une masse extrêmement faible. Grâce aux chemins de charge continus, ces structures peuvent être jusqu'à dix fois plus résistantes que les treillis traditionnels de même poids, en répartissant les forces plus efficacement et en minimisant les matériaux inactifs. Pour valider cette méthode, les chercheurs ont appliqué la structure au châssis d'un drone. Le châssis repensé a réduit le poids structurel d'environ 79 % par rapport à la conception traditionnelle, augmentant le temps de vol de 33 % dans des conditions opérationnelles identiques.
Le docteur Jun Young Choi et le professeur Sung-Hoon Ahn ont déclaré que la complexité spatiale des architectures à fibres continues limitait leur évolutivité dans la fabrication traditionnelle, mais qu'avec les progrès de la robotique et de la fabrication assistée par IA, ces structures peuvent désormais être produites à grande échelle, et ce travail fournit une feuille de route pour leur mise en pratique. L'impact de cette technologie s'étend à divers domaines tels que l'aérospatiale, les systèmes mobiles, la robotique et la construction. Dans l'aérospatiale, elle peut améliorer l'autonomie, la capacité de charge utile et l'efficacité énergétique ; dans la robotique, elle peut augmenter la vitesse et la précision des mouvements ; dans la construction, elle ouvre la voie à des cadres porteurs économes en matériaux. Cette méthode favorise une transition de l'ingénierie basée sur les composants vers des systèmes structurels intégrés définis par la géométrie, la continuité et la fabrication automatisée.
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