Une recherche dirigée par le professeur lain Todd du Département de science et de génie des matériaux de l’Université de Sheffield a mené au développement de nouveaux matériaux pour la fabrication additive (FA).

En collaborant avec des chercheurs de l’Imperial College de Londres, ces experts ont étudié comment des treillis uniformes imitent la structure d’un monocristal métallique.

En effet, ils ont remplacé les matériaux solides par des structures en treillis afin d’obtenir des combinaisons de propriétés qui ne sont pas accessibles aux solides conventionnels. Il a été possible d’obtenir les nouvelles combinaisons de propriétés grâce au fait que les structures en treillis sont plus légères que les solides.

Le problème avec les structures en treillis réside dans le fait que leur disposition uniforme avec des nœuds se conforme à un réseau régulier avec les entretoises entre les nœuds qui suivent tous des plans communs.

En fait, les nœuds du réseau de FA sont équivalents aux atomes du monocristal et les barres sont équivalentes aux liaisons atomiques. Dans chacune de ces structures, les plans atomiques, ou nœuds, sont parfaitement alignés.

Que se passe-t-il en pratique ?

La vérité est que les matériaux monocristallins ne conviennent pas à toutes les applications. S’ils résistent à la déformation à des températures extrêmes, leur principale limitation est liée à leurs performances mécaniques, comme on peut le constater dans les pièces imprimes en 3D avec une structure en treillis uniforme.

Lorsque la structure est mise en compression, une fois que la force est suffisante pour provoquer une déformation permanente, le treillis se cisaille le long d’un ou plusieurs plans de nœuds. Si rien n’empêche ce cisaillement, l’effondrement devient catastrophique.

« Dans les matériaux polycristallins – ceux qui comportent de nombreux cristaux – l’alignement des plans atomiques est aléatoire, de sorte que lorsqu’une force de cisaillement est dans une direction particulière, une fissure ralentit ou s’arrête lorsqu’elle rencontre un cristal où les atomes sont alignés différemment du cristal dans lequel la fissure s’est formée. De plus, il est possible d’introduire différents matériaux sous forme de phases, de précipités ou d’inclusions utilisés pour renforcer les matériaux ; ces matériaux contribuent également à empêcher la propagation des fissures.

Grâce à la modélisation informatique des structures atomiques, à leur mise à l’échelle et à la création de méso-structures à base de matériaux polycristallins, les ingénieurs transforment la manière dont les matériaux sont conçus, c’est la raison pour laquelle le nom de ‘méta-crystals’ a été inventé. »

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