Le titane peut-il flotter ? Des chercheurs australiens y parviennent grâce à la fabrication additive

Des ingénieurs de l’université RMIT, à Melbourne, ont présenté une structure lattice en titane imprimée en 3D qui flotte sur l’eau, même après avoir subi de lourds dégâts. L’objectif est de surmonter une limite de longue date de ce type de structures, qui sont très légères mais coulent lorsque l’eau s’infiltre dans leurs cavités, et d’ouvrir ainsi la voie à leur utilisation pour des infrastructures marines.

Tout réside dans la géométrie de la pièce. Les structures en treillis (ou lattice) sont des réseaux de petites barres qui se répètent dans l’espace. Grâce à la fabrication additive, elles peuvent être produites en métal en utilisant très peu de matière, tout en conservant une grande résistance. Certaines sont si légères que leur densité n’atteint même pas un dixième de celle de l’eau. Toutefois, puisqu’elles sont ouvertes, l’eau occupe tous leurs espaces vides et il ne reste plus d’air pour les maintenir à flot.

Sections d’un cube en titane avant et après le remplissage de mousse (crédits photo : Sara Tan/RMIT).

L’équipe du Centre for Additive Manufacturing de l’université RMIT, dirigée par le Dr Jordan Noronha en tant que chercheur principal, a résolu le problème sans fermer la structure. Les chercheurs ont imprimé en 3D une structure lattice en titane aux barres creuses, qu’ils ont ensuite remplies de mousse de polyuréthane. L’eau continue de circuler librement entre les barres, mais ne parvient pas à inonder la structure.

La mousse est constituée de minuscules cellules fermées qui retiennent le gaz ; elle agit ainsi comme une barrière répartie dans l’ensemble de la pièce. Un flotteur creux classique se remplit d’eau dès l’apparition d’une fissure. Ici, en revanche, la structure est restée à flot malgré des fissures, des liaisons rompues, voire la fracture d’une couche entière. Elle n’a coulé qu’après avoir été totalement écrasée et compactée.

Une nouvelle façon de mesurer la densité

Pour prédire si une structure ouverte flottera, les chercheurs ont proposé un nouvel indicateur : la densité squelettique. Le calcul habituel prend en compte le volume total de la pièce, y compris les cavités ; or, cet espace, occupé par l’eau, ne contribue pas à la flottabilité. La densité squelettique ne considère, quant à elle, que les éléments que l’eau ne peut pas traverser : les parois en titane et les canaux scellés par de la mousse.

Selon Noronha, cela offre aux ingénieurs « une règle de conception simple : si la densité squelettique est inférieure à celle du liquide, la structure flotte ».

Plus résistant que l’acier inoxydable

À densité globale égale, la pièce lattice s’est révélée 70 % plus résistante que l’acier inoxydable et le polyéthylène haute densité. Après deux semaines d’immersion dans l’eau de mer de la baie de Port Phillip, à Melbourne, elle n’a perdu que 0,15 % de sa masse et moins de 1 % de sa résistance. Par ailleurs, d’autres échantillons ont flotté dans de l’eau douce pendant plus de deux mois.

Le Dr Jordan Noronha tenant un échantillon de titane flottant (crédits photo : Sara Tan/RMIT).

Il s’agit toutefois d’essais de courte durée. Le professeur Ma Qian, responsable du projet, explique que les prochaines étapes consisteront à fabriquer des pièces de plus grande taille et à évaluer leur comportement à long terme dans des conditions marines réelles et en eaux profondes. L’équipe a également envisagé des applications en dehors du milieu marin. En modifiant le matériau de remplissage, une structure similaire pourrait en effet servir à absorber l’énergie, à gérer la chaleur ou à contrôler les vibrations.

Ces travaux ont été menés en collaboration avec le Conservatoire national des arts et métiers (Cnam) et publiés dans la revue Advanced Materials. Vous pouvez consulter l’étude ICI.

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*Crédits photo de couverture : Sara Tan/RMIT.