Les structures de crevettes Mantis offrent une résistance incroyable grâce à la technologie d'impression 3D

Oct 09, 2023

Une équipe de chercheurs internationaux s'est tournée vers mère nature dans le but d'imprimer en 3D des matériaux composites céramiques aux caractéristiques de durcissement bio-inspirées.

Les composites céramiques aux propriétés de résistance aux dommages sont très demandés, car la ténacité est une exigence clé dans une grande variété d'applications industrielles. Ces matériaux ont également tendance à offrir des combinaisons de stabilité chimique et mécanique, les qualifiant pour une utilisation dans tout, de l'automobile et de l'aérospatiale aux systèmes énergétiques.

Malheureusement, de nombreuses techniques de traitement des composites céramiques conventionnelles d'aujourd'hui, telles que la modélisation de la glace ou la coulée en gel, sont incapables de créer des pièces avec des géométries complexes et personnalisées, en raison des limitations de la fabrication de moules.

L'équipe internationale étudie actuellement comment les structures protectrices trouvées dans les crevettes mantis peuvent être utilisées en conjonction avec l'impression 3D par traitement numérique de la lumière (DLP) pour créer des composants composites céramiques géométriquement complexes.

Qu'y a-t-il de si spécial à propos de la crevette mante ?

Les crevettes Mantis, également connues sous le nom de stomatopodes, sont un type de petit crustacé marin multicolore. Ils sont bien connus pour leur nature agressive et leur appendice caractéristique en forme de poing appelé massue dactyle.

L'arme intégrée est utilisée pour écraser et tuer les proies à carapace dure telles que les crabes et les escargots, se déplaçant avec une force incroyable pour percer même les carapaces les plus protectrices. En fait, on pense que les clubs dactyles peuvent atteindre des accélérations allant jusqu'à 10 000 g, ce qui entraîne des impacts correspondant à la vitesse d'une balle de calibre .22.

Mais qu'est-ce qui les rend si durables ? Les clubs Dactyl présentent une structure bi-continue qui les aide à absorber les impacts et à filtrer les ondes de cisaillement dommageables sans transpirer. La phase organique est constituée de chitine, un composé couramment présent dans les carapaces d'insectes et de crustacés, tandis que la phase inorganique est composée de phosphate de calcium amorphe et de carbonate de calcium.

Ensemble, la structure à double problème forme un effet de protection résistant aux fissures qui protège le club, au grand désarroi des proies de la crevette mante.

Améliorations de la dureté de 116x

Dans la présente étude, l'équipe de recherche a rendu hommage aux travaux de la sélection naturelle et imprimé en 3D des structures composites céramiques complexes avec des phases bi-continues zircone/époxy.

Pour tester la solidité des structures imprimées biomimétiques, ils ont appliqué le concept à la dentisterie restauratrice, en imprimant en 3D une série de ponts pontiques à 75 % vol. zircone. Les parois en céramique graduées des ponts ont augmenté linéairement en épaisseur de 0,3 mm à 0,7 mm, mettant en valeur des distributions de contraintes graduées qui ont dispersé toutes les contraintes de compression sur les pièces de manière uniforme.

Dans une série de tests de compression, l'équipe a découvert que leurs composites céramiques imprimés augmentaient en résistance jusqu'à 213 % par rapport à la céramique pure. Le module de Young n'a augmenté que légèrement dans les pièces imprimées. Étonnamment, la dureté des structures imprimées a également été multipliée par 116, tout en permettant des géométries uniques qu'il aurait été impossible de fabriquer avec des techniques conventionnelles.

En fin de compte, l'étude est très prometteuse lorsqu'il s'agit de bioimiter l'architecture bi-continue des crevettes mantis. Les composites céramiques imprimés en 3D présentaient d'excellentes caractéristiques de ténacité et de résistance à la compression, qui sont particulièrement utiles dans les applications de restauration dentaire personnalisées.

De plus amples détails sur l'étude peuvent être trouvés dans l'article intitulé "Impression 3D de composite céramique avec conception de renforcement biomimétique".

Ce n'est certainement pas la première recherche sur la fabrication additive centrée sur le biomimétisme. Tout récemment, une équipe de chercheurs américains a utilisé la technologie d'impression 3D pour créer des ventouses adhésives inspirées de la pieuvre. L'équipe, dirigée par Virginia Tech, a développé son propre système nerveux inspiré de la nature, capable de détecter des objets et d'activer automatiquement l'adhérence en quelques millisecondes. La peau adhésive a été intégrée dans un gant portable, offrant une nouvelle façon de manipuler des objets dans un environnement sous-marin.

Ailleurs, des chercheurs de l'ETH Zurich ont imprimé en 3D des nanostructures artificiellement colorées, s'inspirant des ailes d'un papillon. Originaire d'Afrique tropicale, les ailes de l'espèce Cynandra opis se caractérisent par leurs couleurs vibrantes. Plutôt que d'être à base de pigments, ces couleurs sont structurelles, ce qui signifie qu'elles sont produites par des nanostructures complexes à la surface des ailes.

Abonnez-vous à la newsletter de l'industrie de l'impression 3D pour les dernières nouvelles de la fabrication additive. Vous pouvez également rester connecté en nous suivant sur Twitter, en nous aimant sur Facebook et en vous connectant à la chaîne YouTube de l'industrie de l'impression 3D.

Vous cherchez une carrière dans la fabrication additive? Visitez Emplois d'impression 3D pour une sélection de rôles dans l'industrie.

L'image en vedette montre la crevette mante. Photo via Roy L. Caldwell, Université de Californie, Berkeley.

Kubi Sertoglu est titulaire d'un diplôme en génie mécanique, combinant une affinité pour l'écriture avec une formation technique pour fournir les dernières nouvelles et critiques en matière de fabrication additive.