Les ingénieurs du MIT utilisent le kirigami pour fabriquer des structures ultrarésistantes et légères

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Les solides cellulaires sont des matériaux composés de nombreuses cellules emballées ensemble, comme un nid d'abeilles. La forme de ces cellules détermine en grande partie les propriétés mécaniques du matériau, notamment sa rigidité ou sa résistance. Les os, par exemple, sont remplis d’un matériau naturel qui leur permet d’être légers, mais rigides et solides.

Inspirés par les os et autres solides cellulaires trouvés dans la nature, les humains ont utilisé le même concept pour développer des matériaux architecturés. En modifiant la géométrie des cellules unitaires qui composent ces matériaux, les chercheurs peuvent personnaliser les propriétés mécaniques, thermiques ou acoustiques du matériau. Les matériaux architecturés sont utilisés dans de nombreuses applications, de la mousse d'emballage absorbant les chocs aux radiateurs de régulation thermique.

En utilisant le kirigami, l'art japonais ancien du pliage et de la découpe du papier, les chercheurs du MIT ont désormais fabriqué un type de matériau architecturé haute performance connu sous le nom de treillis en plaques, à une échelle beaucoup plus grande que celle que les scientifiques pouvaient auparavant réaliser par fabrication additive. Cette technique leur permet de créer ces structures à partir de métal ou d'autres matériaux avec des formes personnalisées et des propriétés mécaniques spécifiquement adaptées.

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

Les chercheurs ont développé un processus de construction modulaire dans lequel de nombreux composants plus petits sont formés, pliés et assemblés en formes 3D. En utilisant cette méthode, ils ont fabriqué des structures et des robots ultralégers et ultrarésistants qui, sous une charge spécifiée, peuvent se transformer et conserver leur forme.

Étant donné que ces structures sont légères mais solides, rigides et relativement faciles à produire en série à plus grande échelle, elles pourraient être particulièrement utiles dans les composants architecturaux, aéronautiques, automobiles ou aérospatiaux.

Les co-auteurs principaux, Alfonso Parra Rubio, assistant de recherche à l'ABC, et Klara Mundilova, étudiante diplômée en génie électrique et en informatique du MIT, se joignent à Gershenfeld pour l'article ; avec David Preiss, étudiant diplômé de l'ABC; et Erik D. Demaine, professeur d'informatique au MIT. La recherche sera présentée à la conférence Computers and Information in Engineering de l'ASME.

Fabrication par pliage

Les matériaux architecturés, comme les treillis, sont souvent utilisés comme noyaux pour un type de matériau composite appelé structure sandwich. Pour imaginer une structure sandwich, pensez à une aile d'avion, où une série de poutres diagonales qui se croisent forment un noyau en treillis pris en sandwich entre un panneau supérieur et un panneau inférieur. Ce treillis en treillis présente une rigidité et une résistance élevées, tout en étant très léger.

Les treillis de plaques sont des structures cellulaires constituées d’intersections tridimensionnelles de plaques plutôt que de poutres. Ces structures hautes performances sont encore plus solides et plus rigides que les treillis en treillis, mais leur forme complexe les rend difficiles à fabriquer à l'aide de techniques courantes telles que l'impression 3D, en particulier pour les applications d'ingénierie à grande échelle.

Les chercheurs du MIT ont surmonté ces défis de fabrication en utilisant le kirigami, une technique permettant de créer des formes 3D en pliant et en découpant du papier qui retrace son histoire jusqu'aux artistes japonais du VIIe siècle.

Le Kirigami a été utilisé pour produire des treillis en plaques à partir de plis en zigzag partiellement pliés. Mais pour réaliser une structure sandwich, il faut fixer des plaques plates en haut et en bas de cette âme ondulée sur les points étroits formés par les plis en zigzag. Cela nécessite souvent des adhésifs puissants ou des techniques de soudage qui peuvent rendre l'assemblage lent, coûteux et difficile à mettre à l'échelle.