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Jun 20, 2023

Carbone

25 juin 2014 par

25 juin 2014

par l'Université de Harvard

Dans les parcs éoliens d'Amérique du Nord et d'Europe, des turbines élégantes équipées d'une technologie de pointe convertissent l'énergie éolienne en électricité. Mais caché à l'intérieur des lames de ces prouesses d'ingénierie moderne se trouve un matériau de base résolument low-tech : le bois de balsa.

Comme d'autres produits manufacturés qui utilisent la construction de panneaux sandwich pour obtenir une combinaison de légèreté et de résistance, les aubes de turbine contiennent des bandes soigneusement disposées de bois de balsa d'Équateur, qui fournit 95 % de l'approvisionnement mondial.

Pendant des siècles, le balsa à croissance rapide a été apprécié pour sa légèreté et sa rigidité par rapport à la densité. Mais le bois de balsa est cher et les variations naturelles du grain peuvent être un obstacle à la réalisation des exigences de performance de plus en plus précises des aubes de turbine et d'autres applications sophistiquées.

Alors que les fabricants de turbines produisent des pales de plus en plus grandes - les plus longues mesurent maintenant 75 mètres, correspondant presque à l'envergure d'un avion de ligne Airbus A380 - elles doivent être conçues pour fonctionner pratiquement sans entretien pendant des décennies. Afin de répondre aux spécifications les plus exigeantes en matière de précision, de poids et d'uniformité de la qualité, les fabricants recherchent de nouvelles options de matériaux de construction en sandwich.

Maintenant, en utilisant un cocktail de résines thermodurcissables à base d'époxy renforcées de fibres et des techniques d'impression par extrusion 3D, les scientifiques des matériaux de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ont développé des matériaux composites cellulaires d'une lumière sans précédent. poids et rigidité. En raison de leurs propriétés mécaniques et du contrôle à grande échelle de la fabrication (voir la vidéo ci-dessous), les chercheurs affirment que ces nouveaux matériaux imitent et améliorent le balsa, et même les meilleurs polymères et composites polymères imprimés en 3D commerciaux disponibles.

Un article décrivant leurs résultats a été publié en ligne dans la revue Advanced Materials.

Jusqu'à présent, l'impression 3D a été développée pour les thermoplastiques et les résines durcissables aux UV, des matériaux qui ne sont généralement pas considérés comme des solutions d'ingénierie pour les applications structurelles. « En évoluant vers de nouvelles classes de matériaux comme les époxydes, nous ouvrons de nouvelles voies à l'utilisation de l'impression 3D pour construire des architectures légères », déclare la chercheuse principale Jennifer A. Lewis, professeure Hansjörg Wyss d'ingénierie d'inspiration biologique à Harvard SEAS. "Essentiellement, nous élargissons la palette de matériaux pour l'impression 3D."

"Le bois de balsa a une architecture cellulaire qui minimise son poids puisque la majeure partie de l'espace est vide et que seules les parois cellulaires supportent la charge. Il a donc une rigidité et une résistance spécifiques élevées", explique Lewis, qui en plus de son rôle à Harvard SEAS est également membre du corps professoral de l'Institut Wyss. "Nous avons emprunté ce concept de design et l'avons imité dans un composite technique."

Lewis et Brett G. Compton, un ancien boursier postdoctoral de son groupe, ont développé des encres de résines époxy, enrichies de plaquettes de nanoargile améliorant la viscosité et d'un composé appelé diméthyl méthylphosphonate, puis ont ajouté deux types de charges : de minuscules "whiskers" de carbure de silicium et fibres de carbone discrètes. La clé de la polyvalence des encres chargées de fibres résultantes est la capacité de contrôler l'orientation des charges.

La direction dans laquelle les charges sont déposées contrôle la résistance des matériaux (pensez à la facilité de fendre un morceau de bois de chauffage dans le sens de la longueur par rapport à la difficulté relative de couper perpendiculairement contre le grain).

Lewis et Compton ont montré que leur technique donne des composites cellulaires aussi rigides que le bois, 10 à 20 fois plus rigides que les polymères commerciaux imprimés en 3D et deux fois plus résistants que les meilleurs composites polymères imprimés. La capacité de contrôler l'alignement des charges signifie que les fabricants peuvent intégrer numériquement la composition, la rigidité et la ténacité d'un objet à sa conception.

"Ce document démontre, pour la première fois, l'impression 3D de nids d'abeilles avec des parois cellulaires renforcées de fibres", a déclaré Lorna Gibson, professeur de science des matériaux et de génie mécanique au Massachusetts Institute of Technology et l'un des plus grands experts mondiaux en composites cellulaires, qui n'a pas participé à cette recherche. "La manière dont les fibres peuvent être alignées est particulièrement importante, grâce au contrôle du rapport d'aspect des fibres - la longueur par rapport au diamètre - et du diamètre de la buse. Cela marque une avancée importante dans la conception de matériaux techniques qui imitent le bois, connu depuis longtemps. pour ses propriétés mécaniques remarquables pour son poids."

« Au fur et à mesure que nous acquérons des niveaux de contrôle supplémentaires dans l'alignement des charges et apprenons à mieux intégrer cette orientation dans la conception des composants, nous pouvons optimiser davantage la conception des composants et améliorer l'efficacité des matériaux », ajoute Compton, qui est maintenant un scientifique du personnel en fabrication additive à Oak Ridge. Laboratoire national. "À terme, nous pourrons utiliser la technologie d'impression 3D pour modifier le degré d'alignement de la charge de fibres et la composition locale à la volée."

Le travail pourrait avoir des applications dans de nombreux domaines, y compris l'industrie automobile où des matériaux plus légers sont la clé pour atteindre des normes d'économie de carburant strictes imposées par le gouvernement. Selon une estimation, perdre 110 livres de chacune des 1 milliard de voitures sur la route dans le monde pourrait produire 40 milliards de dollars en économies de carburant annuelles.

L'impression 3D a également le potentiel de changer radicalement la fabrication à d'autres égards. Selon Lewis, la prochaine étape consistera à tester l'utilisation de résines thermodurcissables pour créer différents types d'architectures, notamment en exploitant la technique de mélange des charges et en les alignant précisément. Cela pourrait conduire à des avancées non seulement dans les matériaux de structure, mais également dans les composites conducteurs.

Auparavant, Lewis a mené des recherches révolutionnaires sur l'impression 3D de constructions tissulaires avec système vasculaire et microbatteries lithium-ion.

Informations sur la revue :Matériaux avancés

Fourni par l'Université de Harvard