Des cubes fractals dissipateurs de chocs pourraient constituer des armures ultrarésistantes de haute technologie

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Conception 3D basée sur des éléments fractals. | Pixabay

Les figures fractales sont des objets mathématiques/géométriques qui présentent une structure similaire à toutes les échelles. Visuellement, les conceptions fractales 2D ou 3D sont fascinantes et intrigantes, et il s’avère qu’elles trouvent également une utilité mécanique. Récemment, des chercheurs du Los Alamos National Laboratory de l’Université de Californie se sont basés sur des formes fractales 3D pour concevoir des structures ultrarésistantes avec des matériaux de base simples et légers. Les applications sont diverses et variées, allant de la fabrication de pièces de protection pour véhicules à la conception d’armures ultralégères.

De minuscules cubes de plastique imprimés en 3D, avec des vides fractals complexes intégrés, se sont révélés efficaces pour dissiper les ondes de choc, ce qui pourrait conduire à de nouveaux types d’armures légères et de matériaux structurels efficaces contre les explosions et les impacts. Les résultats de l’étude seront publiés dans le numéro de juillet 2020 d’AIP Advances et l’article portera comme titre « Shockwave dissipation by interface-dominated porous structures » (« Dissipation des ondes de choc par des structures poreuses à interface dominée »).

Pour leurs conceptions, les chercheurs se sont inspirés de « l’éponge de Menger ». Chaque face de l’éponge de Menger constitue un tapis de Sierpinski (une fractale obtenue à partir d’un carré). Chaque intersection de l’éponge de Menger avec une diagonale ou une médiane du cube initial est un ensemble de Cantor. Pour finir, l’éponge de Menger est un espace fermé et compact.

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Les quatre premiers stades de construction d’une éponge de Menger simple. Crédits : Wikimédia

« Le but du travail est de manipuler les interactions des ondes résultant d’une onde de choc », a déclaré Dana Dattelbaum, chercheuse au Los Alamos National Laboratory et auteure principale de l’étude (à paraître) dans la revue AIP Advances. « Les principes directeurs pour y parvenir n’ont pas été bien définis, mais il y en a certainement moins par rapport à la déformation mécanique des matériaux fabriqués à l’aide d’additifs. Nous sommes en train de définir ces principes, en raison de la fabrication et de la conception avancées à mésoéchelle ».

Des structures fractales permettant d’absorber des chocs à plus de 1000 km/h

Des matériaux de dispersion des ondes de choc qui exploitent les vides structurels ont été développés dans le passé, mais ils impliquaient généralement des distributions aléatoires découvertes par essais et erreurs. D’autres ont utilisé des couches pour réverbérer les chocs et libérer les ondes. Ici, un contrôle précis de l’emplacement des trous dans un matériau permet aux chercheurs de concevoir, modéliser et tester des structures qui fonctionnent comme prévu, de manière reproductible.

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Simulation montrant comment des structures fractales de complexité croissante dissipent l’énergie des ondes de choc. Crédits : Laboratoire national de Los Alamos

Les chercheurs ont testé leurs structures fractales en y projetant un impacteur à environ 1000 km/h. Les cubes structurés ont dissipé les chocs cinq fois mieux que les cubes solides du même matériau. Bien qu’efficace, il n’est pas encore clair si la structure fractale est la meilleure conception possible dissipant les chocs. Les chercheurs étudient actuellement d’autres modèles basés sur les vides ou les interfaces, à la recherche de structures idéales pour dissiper les chocs.

De nouveaux algorithmes d’optimisation guideront leur travail vers des structures en dehors de celles qui sont constituées de formes régulières et répétitives. Les applications potentielles peuvent inclure des supports structurels et des couches de protection pour véhicules, casques ou autres protections portables.

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Source : Los Alamos National Laboratory

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