Structure lattice : la fin des matériaux pleins

Une structure lattice est un volume qui est poreux, c’est-à-dire que le matériau utilisé ne représente que la moitié du volume total, voire moins. Les avantages de telles structures sont nombreux, dont l’évidente économie de masse et de matière. Le terme lattice vient de l’anglais et signifie treillis, d’où la notion de volume ajouré. Ce terme devient de plus en plus courant à mesure que l’impression 3D se démocratise, car ce moyen de production permet de créer des pièces complexes ainsi que creuses. Voyons comment les structures lattices sont observables dans la nature, comment l’homme en a créées avant l’apparition de la fabrication additive, et comment celles-ci révolutionnent la conception de structures.

Figure 1: Observation au microscope optique à balayage d’une mousse (gauche) et d’une dent (droite)

Quand on parle de structure lattice, le premier motif qui nous vient en tête est généralement le nid d’abeille. L’humanité s’était intéressée au biomimétisme bien avant que le terme n’existe, et Charles Darwin expliquait en 1859 que cette structure était idéale pour limiter à la fois le temps de travail des abeilles et la quantité de cire utilisée. Un siècle plus tard, les structures hexagonales en aluminium et en matériaux polymères ont commencé à envahir l’industrie aérospatiale, jusqu’à se faire une place dans tous les secteurs, de l’architecture contemporaine aux pare-chocs de voitures actuelles. Les structures lattices ne se limitent pas aux nids d’abeilles, elles sont présentes partout dans la nature. A l’échelle d’un humain, elles ne sont pas toujours observables, mais les microscopes permettent par exemple de nous révéler l’organisation de la matière d’une mousse ou d’une dent.

Qu’il s’agisse d’un matériau flexible ou rigide, on observe que tous deux ont une structure poreuse, toutefois les motifs ainsi que la densité de matière varient considérablement.

De nos jours, lorsque l’on construit des édifices, on utilise des structures lattices sans même s’en rendre compte, car celles-ci présentent des avantages évidents. Essayez d’imaginer une toile d’araignée pleine, comme s’il s’agissait d’un bout de tissu. Vous vous doutez qu’il faudra énormément de temps et de matériau à l’araignée pour bâtir une telle toile, ainsi qu’avec une telle prise au vent et un poids considérable, ce piège risque de casser avant même la capture d’un seul insecte : cette création s’avère bien plus fonctionnelle et abordable en y consacrant une quantité infime de matériau. On peut utiliser l’exact même raisonnement pour des créations humaines, ce qui est particulièrement vrai pour les constructions métalliques, de la ligne haute tension aux ponts, en passant par la tour Eiffel.

Figure 2: Mise en évidence de structures lattices sur une ligne haute tension, un pont, et la tour Eiffel

 

De telles structures lattices de grandes proportions présentent comme principaux avantages d’être légères et de nécessiter peu de matériaux. Ces mêmes structures à plus petite échelle peuvent présenter des avantages supplémentaires.

Figure 3: Zoom sur une mousse métallique

Les mousses métalliques sont des structures alvéolaires constituées d’un métal solide, souvent en aluminium, dont la caractéristique principale est d’avoir une porosité très élevée, d’environ 75 à 95%. Ces structures sont généralement produites par moulage, en injectant un métal en fusion dans un moule contenant des billes en sable liées par de la résine. Le métal remplit tout l’espace entre ces billes, et une fois solidifié, le sable est évacué en faisant vibrer la pièce entière. Grâce à cette structure poreuse, ces mousses métalliques sont idéales pour l’orthopédie : la pièce est insérée dans l’os et sert de support au développement osseux, qui remplit progressivement l’espace vide laissé par la mousse. Dans ce cadre la pièce est souvent réalisée en titane, afin d’être à la fois légère, résistante et bio compatible. Tout comme les nids d’abeilles utilisés dans les pare-chocs de voiture, on retrouve les mousses métalliques dans l’automobile grâce à leur capacité à emmagasiner l’énergie par déformation. Le constructeur automobile Citroën avait par exemple utilisé ce procédé pour réaliser des absorbeurs de choc en bas des portières sur un concept-car présenté au salon de Shanghai en 2015. Enfin les mousses métalliques présentent l’avantage d’avoir une très grande surface à l’air par rapport au volume occupé par la pièce, ce qui rend cette technologie particulièrement intéressante pour réaliser des diffuseurs thermiques. On les retrouve sur des supports de lampes LED pour magasins ou musées qui ont des utilisations intensives, ou encore comme échangeur d’huile pour transmission mécanique.

Figure 4: Utilisation de mousse métallique sur une lampe et un échangeur à huile

L’industrialisation des mousses métalliques est toutefois limitée car seuls des marchés de niches trouvent un intérêt certain à l’utilisation de ces pièces très couteuses.

Ce n’est qu’avec la vulgarisation de l’impression 3D que les structures lattices ont pris leur envol. Le procédé de fabrication additive le plus répandu est la « Fused Deposition Modeling », qui consiste en une buse mobile qui fait fondre un filament plastique et le dépose couche par couche sur un plateau. L’avantage considérable de cette technologie est de pouvoir créer des pièces partiellement creuses, où une structure lattice occupe le volume interne de la pièce pour assurer une rigidité à moindre masse.

Figure 6: Structures lattices 2D pour le remplissage de pièce de fabrication additive

Les logiciels de préparation à l’impression 3D, ou slicers, ont une grande variété de motifs possibles, et le pourcentage de densité est toujours réglable. Quelques études ont été réalisées sur la résistance des pièces en fonction du motif et de la densité du remplissage. Les résultats sont connivents : la résistance croît avec la densité, et les motifs les plus rigides sont les quadrillages orthogonaux ainsi que la forme en nid d’abeille. Toutefois ces résultats commencent déjà à être désuets, puisque les slicers proposent désormais des motifs en 3D, contrairement à des motifs 2D répétés sur toute la hauteur de la pièce. Les motifs volumiques ont l’avantage d’être plus rapide à imprimer, de consommer moins de matériaux, et d’homogénéiser la reprise des efforts au sein de la pièce.

Un autre avantage des structures lattices dans l’impression 3D est de pouvoir faire varier localement les propriétés mécaniques d’une pièce en n’utilisant qu’un seul matériau : en augmentant la densité là où les efforts sont les plus importants, et en la réduisant là où il est souhaitable que le matériau soit souple, il est possible de réaliser des objets complexes tels que des semelles personnalisées.

Figure 7: Semelle de podologie à densité variable

Les recherches de pointe dans les structures lattices sont effectuées dans le but de créer des matériaux toujours plus résistants et légers. Une équipe de chercheurs à la Karlsruhe Institute of Technology en Allemagne ont imprimé en 3D des structures microscopiques. Pour réaliser des impressions de cette taille, l’équipe s’est équipée d’une imprimante à micro stéréolithographie. Ce procédé est très similaire à de la stéréolithographie, qui consiste en un laser qui vient polymériser couche par couche une résine liquide contenue dans un bac afin de la solidifier. La différence principale avec la micro stéréolithographie réside dans la taille du laser, et donc la résolution ainsi que la taille de l’impression. Pour créer des structures lattices grandes de 0.05 mm, les chercheurs ont imprimé la pièce dans une céramique polymérisable, puis ont recouvert l’intégralité de la surface avec une couche excessivement faible d’aluminium grâce à un procédé de déposition atomique. L’échantillon le plus intéressant qu’ils sont parvenus à créer est à la fois plus léger que l’eau et plus résistant que de l’acier ! (E sur l’image ci-dessous)

Figure 8: Micro structures lattices réalisées par des chercheurs du KIT (en 1ère et 2ème lignes, images respectives en CAO et au microscope)

D’autres études ont été réalisées au Massachusetts Institut of Technology dans le but de combiner les propriétés époustouflantes du graphène avec des structures lattices. Le graphène est un matériau bidimensionnel, constitué exclusivement de carbone dont l’empilement constitue le graphite. Des mesures ont établi que le graphène possède une résistance à la rupture deux cents fois supérieure à celle de l’acier alors qu’il est six fois plus léger. Les chercheurs du MIT ont donc cherché à créer une structure tridimensionnelle à base d’une surface, afin de rendre possible la création d’objets en graphène. A cause des coûts exorbitants du graphène, l’équipe a créé des prototypes en impression 3D et se sont servis de ces résultats pour déterminer les caractéristiques qu’auraient ce même prototype s’il était réalisé en graphène. Les résultats de ces estimations sont plus qu’impressionnants : leur meilleur échantillon est 20 fois moins dense que l’acier et 10 fois plus résistant.

Figure 9: Structure lattice conçue pour du graphène par des chercheurs au MIT

En somme, les structures lattices sont l’évolution des matériaux pleins car leur légèreté, économie de matière, et leur capacité à absorber les chocs sont remarquables. L’humanité a très vite cherché à reproduire des structures qu’elle observait dans la nature, avec de meilleurs résultats pour les grandes structures que pour les petites. Depuis l’avènement de l’impression 3D, les hommes maitrisent avec beaucoup plus d’aisance ces structures, ainsi de nombreuses recherches prometteuses sont enfin accessibles.

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