Dossier initialement publié dans le numéro de mars/avril 2024, puis en ligne le 5 septembre 2024. Les fonctions des intervenants, l’offre logicielle et les projets mentionnés correspondent au contexte de cet entretien.
Vous souvenez-vous quand nous vous disions que le véritable succès d’une application dépendait généralement d’un élément sous-estimé : le matériau ? Eh bien, plus la fabrication additive progresse, plus nous réalisons que l’éventail des possibilités offertes par les matériaux reste à découvrir. Dans ce cas précis, je pense aux possibilités qui associent nécessairement des méthodes de conception novatrices et la FA pour viser des fonctionnalités et des comportements ciblés dans une nouvelle gamme de matériaux spécialisés. Alors que beaucoup de choses se font au niveau de la recherche, une startup suisse explore leur passage aux applications industrielles.
La première fois que j’ai entendu parler des métamatériaux, leurs possibilités m’ont semblé étonnantes. Dans ce dossier, nous nous intéressons surtout aux métamatériaux mécaniques : leurs comportements dépendent de leur architecture, en plus du matériau qui les constitue. Les treillis sont une famille de structures utilisables, mais les deux termes ne sont pas synonymes ; d’autres architectures, notamment à surfaces continues, peuvent être étudiées.
L’enjeu n’est donc pas seulement de choisir une matière première, mais de concevoir une géométrie qui produise une réponse ciblée. Le passage à l’industrie dépend aussi du procédé de fabrication, de ses coûts et de la validation des propriétés obtenues.
La fabrication additive permet d’explorer des architectures complexes. Elle ouvre ainsi des pistes pour développer de nouvelles applications, sans garantir à elle seule leur faisabilité industrielle.
À l’intersection du logiciel et du matériau
Le développement des métamatériaux mobilise plusieurs disciplines, au-delà de la seule production de matières premières. Après une conversation avec Daniel Bachmann, alors directeur de l’innovation de la startup suisse Spherene Ltd, je suis tentée de situer ces développeurs à l’intersection de la conception de logiciels et du développement de matériaux.
Bachmann explique qu’en 2018, l’équipe de Spherene a exploré de nouvelles surfaces à partir d’un modèle en papier. Elle a développé un algorithme de surface minimale à densité adaptative (Adaptive Density Minimal Surface, ADMS), accessible par une API dans le cloud. Selon l’entreprise, cette approche utilise des surfaces sphériques inversées pour remplir un volume de conception avec une architecture ouverte, dont la géométrie et la densité apparente peuvent être adaptées.
Bachmann met notamment en avant la répartition des efforts dans le volume. Cette propriété doit être évaluée pour la géométrie, le matériau, le procédé et le chargement considérés : le qualificatif « idéal » ne décrit pas une performance universellement démontrée.
« Notre technologie nous permet d’appliquer des forces dans n’importe quelle direction de la sphère. Ces capacités isotropes et de conformation de la surface permettent, par exemple, de rendre une pièce d’acier aussi légère que de l’aluminium et d’économiser beaucoup d’énergie pour produire le matériau final », explique Bachmann.
L’allègement évoqué concerne la masse de la pièce obtenue en réduisant la quantité de matière par son architecture ; la masse volumique de l’acier lui-même ne devient pas celle de l’aluminium.
Matériaux et offre logicielle
Selon Bachmann, la solution de Spherene permet de concevoir des métamatériaux à base de plastiques (filaments), de métaux ou même de résines. Malgré cette variété de matériaux, le directeur de l’innovation indique que la solution est la plus avancée pour produire des pièces dans des matériaux à base de poudre. « Peu importe qu’il s’agisse de plastique ou de métal. La résine arrive en 2ème position alors que le procédé FDM peut prendre plus de temps pour imprimer de nouveaux matériaux développés avec notre technologie », ajoute-t-il.
Au moment de l’entretien, Spherene proposait des licences logicielles ainsi qu’un service de conception pour les organisations souhaitant lui confier la création de ces structures.
Conception inverse : les travaux de l’équipe de Rayne Zheng
Une autre voie de recherche est la conception inverse par intelligence artificielle. Berkeley Engineering présentait en octobre 2023 les travaux de l’équipe de Rayne Zheng, alors professeur associé en science et génie des matériaux. Cette approche est distincte de l’algorithme commercial de Spherene.
Zheng et son équipe ont utilisé l’apprentissage automatique pour rechercher une architecture correspondant à une réponse mécanique souhaitée, puis en fabriquer et tester des exemples par impression 3D.
« Avec notre méthode, un utilisateur peut saisir le comportement mécanique souhaité, décrit par une courbe, et ces données sont ensuite introduites dans le code d’apprentissage automatique pour générer une conception – un processus qui ne prend que quelques secondes. Et une fois que cette conception est imprimée en 3D, elle reproduit le comportement mécanique souhaité », a déclaré M. Zheng. « Même si elle en est encore à ses débuts, notre méthode de conception basée sur l’apprentissage automatique peut produire presque n’importe quel type de comportement des matériaux avec une précision de près de 90 %. »
Prédiction inverse et validation directe
Pour créer leur approche de conception basée sur l’IA, les chercheurs ont d’abord dû développer et mettre en œuvre un cadre intégré d’apprentissage automatique. Il se compose d’un module de prédiction inverse et d’un module de validation directe.
« Le module inverse utilise les comportements mécaniques souhaités pour concevoir la micro-structure du matériau, et le matériau conçu est transmis au module de validation pour l’évaluation de ses comportements mécaniques », explique Chansoo Ha, co-auteur principal de cette étude et ancien chercheur postdoctoral à Virginia Tech dans le laboratoire de Zheng. « Cela permet de s’assurer que les propriétés souhaitées se reflètent avec précision dans le produit fini ».
Le travail porte sur une famille de cellules à symétrie cubique constituées de barres. Leurs configurations et essais servent à entraîner et évaluer le modèle. Le chiffre de précision cité par Zheng doit être lu dans le cadre de cette étude ; il ne garantit pas la reproduction de toute propriété pour tout matériau ou tout procédé.
Les conditions d’une mise en œuvre industrielle
Comme pour toute nouvelle technologie, l’utilisation de l’API Spherene nécessitera une courbe d’apprentissage. D’abord et avant tout, puisque « notre technologie est relativement nouvelle sur le marché. Il est crucial pour l’ingénieur d’opérer un passage de l’ingénierie traditionnelle à l’ingénierie moderne », explique le directeur de l’innovation. Le même argument a été avancé à plusieurs reprises lorsque la technologie de FA n’était pas assez mature. L’exploration du développement des métamatériaux nécessite un changement d’état d’esprit.
Deuxièmement, l’intégration dans le flux de travail existant doit être examinée. Une API peut faciliter les échanges entre outils, mais la géométrie doit encore être préparée pour le procédé choisi, fabriquée et contrôlée.
Des avantages à vérifier pour chaque application
Troisièmement, le coût de la licence doit être mis en regard des économies réellement obtenues. Bachmann cite plusieurs avantages possibles, qui restent à vérifier pour chaque application :
- Temps de conception : pour une application satellite, Bachmann évoque cinq minutes de calcul permettant d’éviter vingt heures d’ingénierie. Il s’agit d’un exemple rapporté par l’entreprise, sans protocole comparatif détaillé dans ce dossier.
- Supports d’impression : certaines géométries peuvent éviter les supports internes. Cela ne signifie pas qu’aucun support n’est nécessaire : l’étude sur les échantillons en titane décrit des supports de liaison au plateau.
- Allègement : remplacer une partie du volume plein par une architecture ouverte peut réduire la masse du composant, tout en exigeant une vérification de ses performances.
- Personnalisation : combiner zones pleines, cavités et gradients de densité apparente permet d’ajuster la géométrie, le centre de gravité ou la réponse mécanique recherchée.
Applications et recherche médicale
Les métamatériaux sont étudiés dans l’électronique, les communications et la défense. Lors de l’entretien, Spherene citait notamment un support de satellite de l’ESA, un guide d’ondes et des implants biocéramiques expérimentaux. L’entreprise évoquait aussi des essais de structures pour des chaussures destinées aux personnes diabétiques ; le dossier ne fournit pas de preuve d’efficacité clinique pour cette application.
L’étude de Maevskaia et ses collègues sur les substituts osseux en hydroxyapatite compare des architectures ADMS à un treillis de référence. Les essais de repousse osseuse portent sur un modèle animal chez le lapin. L’architecture ADMS la plus adaptée présentait une ostéoconduction comparable au treillis, avec une meilleure résistance en compression et une meilleure intégrité structurelle dans les conditions étudiées. Ces résultats précliniques ne démontrent pas, à eux seuls, la sécurité et l’efficacité chez l’être humain ni une autorisation de mise sur le marché.
Ce dossier a été initialement publié dans le numéro de mars – avril 2024 de 3D ADEPT MAG
Note de relecture : la terminologie des métamatériaux, la portée des performances annoncées et le caractère préclinique des essais médicaux ont été précisés. Les citations de l’entretien sont conservées dans leur contexte historique.
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