Titane imprimé en 3D : une structure métallique capable de flotter

Les structures lattices ne sont pas une invention récente : les architectures réticulées sont utilisées depuis longtemps en construction pour alléger les structures tout en conservant leur résistance. L’essor de la fabrication additive a toutefois profondément élargi leurs possibilités, en permettant de concevoir des réseaux tridimensionnels complexes dont la géométrie peut être optimisée en fonction des propriétés recherchées.

Ainsi, les structures lattices métalliques permettent d’obtenir des composants à la fois très légers et mécaniquement performants grâce à une architecture constituée de fines poutres séparées par de nombreux espaces vides. Or, cette architecture ouverte devient problématique lorsque ces structures sont immergées : l’eau qui pénètre dans les espaces vides modifie leur masse apparente et leur comportement en flottabilité. Une structure qui paraît suffisamment légère à l’air libre peut ainsi perdre sa flottabilité une fois immergée.

Une structure lattice hybride titane-polyuréthane

Pour contourner cette difficulté, des chercheurs de RMIT University et du Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) ont trouvé une parade. Celle-ci repose sur l’injection d’une mousse de polyuréthane à l’intérieur des montants métalliques de structures lattices composées d’un alliage de titane Ti-6Al-4V. En conservant les cellules externes ouvertes tout en isolant les volumes internes des montants métalliques, cette conception permet de combiner faible masse, résistance mécanique et flottabilité.

La solution repose tout d’abord sur la conception d’une architecture particulière, appelée hollow-strut lattice (structure lattice à montants creux). Les montants qui composent cette structure lattice imprimée en 3D contiennent eux-mêmes des canaux internes. L’astuce mise au point par les chercheurs a été de remplir ces canaux d’une mousse de polyuréthane expansive, qui empêche l’eau d’y pénétrer tout en laissant les espaces situés entre les cellules ouverts. La structure lattice conserve ainsi une porosité externe qui permet à l’eau de circuler autour d’elle, sans que celle-ci envahisse les volumes internes qui participent à sa flottabilité.

Il s’agit là d’une approche différente des précédentes, dans lesquelles l’ensemble des cellules étaient remplies d’un matériau polymère, transformant la structure ouverte en structure fermée, au détriment de la masse et de la perméabilité.

La notion de « densité de squelette »

L’étude, publiée dans la revue Advanced Materials, présente également un autre résultat important. Les chercheurs proposent en effet une nouvelle grandeur appelée skeletal density (densité du squelette). La mesure de la densité classique d’une structure lattice est en effet problématique dans ce contexte d’immersion, car elle inclut dans le volume les espaces accessibles à l’eau. Or, lorsque celle-ci pénètre dans ces espaces, la masse effective, et donc le comportement de la structure, change.

La densité du squelette exclut au contraire les volumes directement accessibles au fluide. Elle prend en compte le matériau constituant véritablement la structure, mais aussi les volumes internes qui ont été isolés de l’environnement par la mousse de polyuréthane. Cette grandeur permet donc de disposer d’un indicateur indépendant des volumes ouverts accessibles à l’eau pour prédire si une structure lattice pourra flotter.

Plusieurs diamètres intérieurs des montants creux ont ainsi été testés, entre 2,5 et 4 mm, tandis que l’épaisseur des parois restait fixe à 0,2 mm. Les densités du squelette calculées ont ainsi varié de 0,75 à 1,17 g/cm³. Les architectures présentant une densité inférieure à celle de l’eau pouvaient ainsi développer une flottabilité positive.

Légèreté, résistance mécanique, flottabilité et haute tolérance aux dommages

Les chercheurs notent qu’à densité comparable, les structures lattices hybrides titane-polyuréthane se montrent plus résistantes que des matériaux couramment utilisés pour les structures flottantes, comme le polyéthylène haute densité (PEHD) et l’acier inoxydable 316L. Les structures lattices développées présentent donc un intérêt notable pour les applications marines. Une telle architecture pourrait ainsi être utilisée pour la fabrication de bouées, de structures flottantes ou de composants marins nécessitant simultanément légèreté, résistance mécanique et tolérance aux dommages. Des tests d’endommagement ont en effet révélé que les structures lattices hybrides pouvaient continuer à flotter malgré des dommages structurels importants, la mousse dans les montants creux permettant de conserver les volumes internes isolés.

Les chercheurs ont d’ailleurs réalisé une première démonstration d’utilisation marine en soumettant un prototype imprimé en 3D à de l’eau de mer et à des mouvements simulant des conditions turbulentes dans un bassin. La structure est restée stable, et cela sans boîtier étanche classique, revêtement protecteur ou système de flottabilité supplémentaire.

Les débouchés sont donc nombreux, d’autant plus que le matériau placé à l’intérieur des montants pourrait être modifié pour conférer d’autres propriétés à la structure flottante. Selon sa nature, il pourrait ainsi contribuer à modifier ses propriétés mécaniques, thermiques, acoustiques ou d’absorption d’énergie, ouvrant la voie à des structures multifonctionnelles destinées notamment aux environnements marins, mais pas uniquement.