Dossier publié initialement dans le numéro de septembre/octobre 2021 de 3D ADEPT Mag. Les fonctions, travaux et témoignages présentés se rapportent à cette période.
Si tout ce que nous utilisons provient de ressources naturelles et que les écosystèmes naturels sont souvent décrits comme des modèles de durabilité, cela signifie-t-il que tout produit imprimé en 3D inspiré par la nature est de facto un produit durable ?
Comment les structures naturelles peuvent-elles inspirer la conception de pièces imprimées en 3D ? Et comment vérifier les bénéfices environnementaux des solutions obtenues ? Pour explorer ces questions, nous avons rencontré Flavia Libonati, alors chercheuse et professeure associée à l’Université de Gênes, dont les travaux relient matériaux, ingénierie et fabrication additive.
S’inspirer de la structure des matériaux naturels
Ses recherches portent sur les mécanismes qui améliorent la ténacité des matériaux biologiques structurels, comme l’os et la nacre, ainsi que sur leurs modes de défaillance. Cette étude, de l’échelle moléculaire à celle des structures, nourrit la conception de nouveaux composites.
Elle utilise une approche «material-by-design», combinant la nature et les principes de l’ingénierie, y compris l’impression 3D, pour améliorer les propriétés mécaniques des matériaux et ainsi leur procurer des propriétés optimales. D’emblée, Libonati a déclaré que « nous avons affaire à un processus à double sens.
L’impression 3D peut transformer le biomimétisme et vice-versa. D’une part, l’impression 3D a tout révolutionné, y compris l’approche de conception biomimétique. La technologie et ses principes ont ouvert l’espace de conception, fait tomber plusieurs barrières de fabrication et permettent désormais aux concepteurs d’imprimer en 3D des composants aux formes très complexes. D’autre part, le biomimétisme transforme l’impression 3D dans la mesure où elle ouvre de nouvelles perspectives et apporte des changements au niveau fonctionnel. Elle permet par exemple d’explorer de nouvelles possibilités de matériaux, de nouvelles fonctions de matériaux comme le fait la nature. L’impression 4D, par exemple, permet d’obtenir de nouvelles fonctions dans le composant imprimé en ajoutant une nouvelle dimension, ce qui va au-delà de la simple fabrication de la pièce. »
Dans l’impression 4D, la dimension supplémentaire désigne l’évolution d’une forme ou d’une fonction dans le temps, sous l’effet d’un stimulus. Elle n’est pas une quatrième dimension spatiale.
La chercheuse et professeure va plus loin pour expliquer les principes de la nature dont les ingénieurs tirent parti :
« La nature utilise quelques éléments de base, comme les protéines et les minéraux, et, grâce à des structures hiérarchiques complexes, elle crée une variété de matériaux multifonctionnels, efficaces et durables. Si vous pensez aux matériaux de base observés dans la nature – nacre, bambou, os, etc. Ils ont une structure très complexe et se diversifient beaucoup et cette diversité de structures et de fonctions peut également être observée au sein d’un même matériau. L’os, par exemple, est un matériau qui présente de nombreuses sous-structures, constituées de minéraux et de protéines, pour ne citer que quelques éléments de composition. Ces structures sont mélangées à différentes échelles de longueur – de l’échelle nanométrique à l’échelle macroscopique – pour produire différentes macrostructures complexes capables de remplir différentes fonctions dans le corps.
Sept niveaux de hiérarchie sont en fait reconnus pour ce matériau. Même à l’intérieur de notre corps, le tissu osseux est très différencié. Ainsi, un tissu compact n’aura certainement pas les mêmes propriétés qu’un tissu spongieux, mais tous deux sont constitués des mêmes éléments de base. Nous pouvons faire la même chose avec l’impression 3D. Nous commençons par ces éléments de base, puis nous observons la nature et la manière dont une forme locale spécifique peut affecter et améliorer les performances d’une pièce entière. Ensuite, nous essayons de combiner ces blocs de construction et de diversifier les diverses sous-structures pour obtenir, par exemple, des composites aux propriétés différentes. »
Comprendre l’organisation des matériaux naturels peut fournir des pistes aux concepteurs, aux spécialistes des matériaux et aux fabricants. Transposer ces principes demande toutefois de tenir compte des contraintes et des procédés propres à la pièce visée.
« Dans le travail du designer, l’approche biomimétique affectera la partie créative et contribuera à fournir des solutions optimales inspirées de la nature. Il est facile pour les concepteurs de s’inspirer des solutions trouvées dans la nature, non seulement parce qu’elles sont optimisées, mais aussi parce qu’elles ne sont pas couvertes par la propriété intellectuelle. En revanche, un expert en matériaux devra comprendre comment ces solutions fonctionnent et comment les traduire en matériaux synthétiques, sachant que ces derniers ne sont pas des matériaux vivants comme les matériaux biologiques. »
Cette comparaison avec la nature ne dispense pas d’examiner la propriété intellectuelle des solutions techniques. L’Office européen des brevets distingue une découverte en tant que telle d’une application technique susceptible d’être brevetée.
Cependant, « l’évolution de l’impression 3D est très liée à l’évolution des matériaux », a-t-elle ajouté, d’où ce focus sur les matériaux dans le cadre de ce dossier. « Plus nous ouvrons la palette des matériaux que nous pouvons imprimer, plus nous pouvons développer une gamme diversifiée de structures pour les matériaux, et donc, une large gamme de formulations de matériaux et leur imprimabilité », ajoute-t-elle.
Des réseaux cristallins aux structures imprimées
Dans l’étude 3D-Printed Architected Materials Inspired by Cubic Bravais Lattices, publiée en ligne en juillet 2021, Libonati et ses collègues explorent la relation entre structure et propriétés de réseaux inspirés des cristaux cubiques de Bravais. Ils associent impression 3D, essais mécaniques et simulations numériques pour examiner des cellules unitaires et des assemblages légers.
Les structures poreuses naturelles offrent différentes pistes de conception. Le piquant du hérisson, par exemple, comporte une structure interne qui soutient sa paroi extérieure et contribue à résister à la déformation. Il s’agit du piquant, et non de la colonne vertébrale de l’animal.
L’os trabéculaire, quant à lui, est un autre exemple de structure cellulaire à l’échelle microscopique possédant des propriétés d’absorption d’énergie. Avec une disposition poreuse à cellules ouvertes, apparemment aléatoire, il est « soigneusement conçu par la nature pour supporter des charges locales spécifiques et pour répondre à différents besoins fonctionnels tout en gardant un poids faible », peut-on lire dans la recherche.
« Des modèles numériques, validés sur la base d’essais expérimentaux réalisés sur des cellules unitaires uniques et intégrant des défauts induits par la fabrication, sont utilisés pour dériver les lois d’échelle pour chaque topologie étudiée, fournissant ainsi des directives pour la sélection et la conception des matériaux, et la base de futures études d’homogénéisation et d’optimisation. Nous n’observons aucun effet clair de l’épaisseur de la couche sur les propriétés mécaniques du matériau en vrac et des structures en treillis.
En revanche, l’effet de la direction d’impression, négligeable dans les échantillons solides, devient important dans les structures en treillis, ce qui entraîne des rigidités différentes des montants et des nœuds. Ce phénomène est pris en compte dans le cadre de simulation proposé. Les modèles numériques de grands réseaux utilisés pour définir les lois d’échelle suggèrent que les topologies choisies ont un comportement principalement dominé par l’étirement, une caractéristique des structures structurellement efficaces où le module s’échelonne linéairement avec la densité relative.
En regardant vers l’avenir, l’imitation de la structure caractéristique à micro-échelle des matériaux cristallins permettra de reproduire le comportement typique des cristaux à une plus grande échelle, en combinant les traits de durcissement de la métallurgie avec le comportement caractéristique des polymères et l’avantage des structures architecturées légères, conduisant à de nouveaux matériaux aux fonctions multiples », indique le rapport.
Ces résultats concernent les matériaux, géométries et paramètres étudiés. L’absence d’effet clair de l’épaisseur de couche dans ces essais ne constitue pas une règle valable pour toutes les impressions 3D.
Ce que nous retiendrons des explications de Libonati, c’est que « la nature fait tout à partir de l’échelle nanométrique, avec une organisation hiérarchique, et nous devons trouver un moyen de traduire ce processus en fabrication, tout en maintenant une précision multi-échelle. De cette façon, nous trouverons de meilleures façons de développer de nouveaux matériaux à haute performance. » Outre les matériaux architecturés imprimés en 3D, d’autres exemples d’approche biomimétique dans le domaine de l’impression 3D mettent en évidence l’utilisation de structures en nid d’abeille dans les pièces imprimées en 3D.
Évaluer le bénéfice environnemental
Des structures en nid d’abeille peuvent offrir un rapport performance/masse intéressant pour certaines sollicitations. Réduire la quantité de matière ne suffit cependant pas à établir un avantage environnemental : production, énergie, durée de vie et fin de vie doivent aussi être prises en compte, à fonction comparable.
Enfin, « bio-inspiré » et « biosourcé » désignent des choses différentes. Le premier décrit une source d’inspiration pour la conception ; le second concerne l’origine biologique d’une matière. Les exemples de ce dossier portent sur des architectures inspirées de la nature, sans établir que leurs matériaux sont biosourcés ni que leurs applications sont toutes industrialisées.
Image de une : montage associant un tournesol et une vue aérienne. Crédit indiqué dans l’édition originale : Google Earth.
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