Une forme d'art japonaise ancienne inspire des matériaux légers ultra-résistants

Aug 02, 2023

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L'art japonais ancien du pliage et de la découpe du papier appelé kirigami a été utilisé dans le passé pour développer des techniques d'impression 3D, du ruban adhésif amovible plus résistant et même un revêtement pour chaussures. Ses applications ont été nombreuses car elles inspirent de nouvelles façons de faire les choses qui aboutissent à des produits de qualité supérieure.

Aujourd'hui, les ingénieurs du MIT ont utilisé cette forme d'art pour développer un type de matériau ultrarésistant et très léger de haute performance connu sous le nom de treillis en plaques, selon un communiqué de presse publié mardi.

« Ce matériau est comme le liège en acier. Il est plus léger que le liège, mais avec une résistance et une rigidité élevées », a déclaré le professeur Neil Gershenfeld, qui dirige le Center for Bits and Atoms (CBA) du MIT et est l'auteur principal d'un nouvel article sur cette approche.

Grâce à un processus de construction modulaire qui voit des composants plus petits formés, pliés et assemblés en formes 3D, les ingénieurs ont pu produire des treillis en plaques.

Ce sont des structures cellulaires composées d’intersections tridimensionnelles de plaques plutôt que de poutres, ce qui les rend plus solides et plus rigides que les treillis en treillis.

Cependant, ils sont notoirement compliqués à fabriquer à l’aide de techniques courantes comme l’impression 3D. C'est là qu'intervient le kirigami.

Cette forme d'art remonte au 7ème siècle et a jusqu'à présent été utilisée avec succès pour produire des treillis en plaques à partir de plis en zigzag partiellement pliés. Les chercheurs du MIT ont encore amélioré ce processus en modifiant 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 servent de surfaces planes sur lesquelles les plaques peuvent être fixées sans utiliser de boulons ou de rivets. Cela permet la création de structures sandwich.

"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", a déclaré Parra Rubio, assistant de recherche à l'ABC.

« L’atteinte de la limite supérieure HS pour la rigidité et la résistance théoriques a été démontrée grâce à une production à l’échelle nanométrique utilisant la lithographie à deux photons. 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.

Le nouveau processus permet également aux ingénieurs de contrôler la rigidité, la résistance et le module de flexion du nouveau matériau en codant ces données dans une carte de rainage utilisée pour créer les ondulations kirigami.

Les chercheurs ont même conçu un processus d'assemblage modulaire adapté aux structures plus grandes, à l'aide d'une machine unique appelée table de découpe Zund.

« Pour fabriquer des choses comme des voitures et des avions, un investissement énorme est consacré à l'outillage. Ce procédé 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 », a déclaré Gershenfeld.

Les chercheurs travaillent désormais sur des outils de conception CAO conviviaux développés spécifiquement pour ces structures inspirées du kirigami. Jusqu'à présent, l'équipe d'ingénieurs et d'étudiants diplômés a utilisé son nouveau procédé pour créer de grandes œuvres d'art en aluminium actuellement exposées au MIT Media Lab.

« 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 », a déclaré Rubio.

Les œuvres d'art mesurent plusieurs mètres de long mais n'ont pris que quelques heures à réaliser grâce à l'efficacité du nouveau système.