Etudier la structure des os pour augmenter la solidité de l’impression 3D

Des scientifiques des universités Cornell, Purdue et Case Western Reserve se sont inspirés de l’os humain pour créer des structures imprimées en 3D plus durables. Ce développement pourrait être bénéfique pour l’industrie de la construction afin de concevoir des structures capables de soutenir de lourdes charges, de la même manière que nos os résistent à de constantes contraintes pendant la durée de notre vie sans se casser. Les chercheurs ont donc imité l’os humain, composé de différents trabécules (de très fin filaments qui forment une forme spongieuse comparable à une poutre), pour imprimer en 3D une structure. Ils se sont rendus compte qu’en augmenter l’épaisseur des trabécules, le matériau pouvait tenir 100 fois plus longtemps. Les équipes ont rapidement transposé leurs résultats dans le secteur de la construction.

La fabrication additive s’inspire parfois de la nature, de ses mouvements et réactions : elle est finalement assez liée au biomimétisme et peut reproduire certaines fonctions du vivant. C’est ce qu’ont cherché à comprendre les chercheurs à l’origine de ce projet en appréhendant le lien entre la structure d’un os et celle d’un bâtiment grâce à l’impression 3D. Il se trouve qu’elles sont toutes les deux faites de liens horizontaux et verticaux qui se croisent, similaires à des colonnes ou des entretoises. Pablo Zavattieri, professeur à l’université de Purdue, explique : « L’os est un bâtiment. Il possède des colonnes qui portent la plupart des charges et des poutres reliant ces colonnes. Nous pouvons apprendre de cela afin de créer des matériaux imprimés en 3D plus solides pour les bâtiments ou même d’autres structures. » C’est pourquoi les chercheurs ont étudié la nature pour créer un matériau plus solide, idéal pour le secteur de la construction. Grâce à l’impression 3D, ils ont pu facilement tester leurs résultats.

Crédits photo : Purdue University photo/Pablo Zavattieri

Les chercheurs ont découvert que lorsqu’ils imitaient la poutre constituant les os et la rendaient environ 30% plus épaisse, le matériau artificiel pouvait durer jusqu’à 100 fois plus longtemps. L’os tire en effet sa durabilité des trabécules : plus ils sont denses, plus l’os sera résistant, ce qui change au fur et à mesure que les humains vieillissent. Ceci est particulièrement vrai quand les entretoises horizontales sont nombreuses : ce sont elles qui augmentent la solidité de l’os. Hernandez, professeur de génie mécanique, aérospatial et biomédical à Cornell, ajoute : « Lorsque les gens vieillissent, ils perdent d’abord ces entretoises horizontales, ce qui augmente la probabilité que l’os se casse sous de multiples charges cycliques. »

C’est là qu’il serait intéressant d’appliquer ces connaissances à l’architecture, en renforçant les bâtiments en cas de catastrophes naturelles par exemple. Le laboratoire de Pablo Zavattieri a testé ses résultats de recherche en imprimant en 3D des polymères sous la forme d’architectures similaires aux trabécules. Les simulations ont révélé que plus les entretoises horizontales étaient épaisses, plus le polymère durerait longtemps sous l’effet d’une charge. Adwait Trikanad, co-auteur des travaux, affirme : « Lorsque nous avons effectué des simulations de la microstructure osseuse sous une charge cyclique, nous avons pu voir que les tensions se concentraient dans ces entretoises horizontales, et en augmentant l’épaisseur de celles-ci, nous avons pu atténuer certaines des contraintes observées. »

De plus, l’épaississement de ces entretoises horizontales n’aurait pas eu d’impact significatif sur le poids du polymère ce qui laisserait penser qu’on peut concevoir des matériaux résistants mais légers. Pablo Zavattieri conclut: « Créer un matériau plus solide sans le rendre plus lourd signifierait que des structures imprimées en 3D pourraient être construites sur place puis transportées. Ces connaissances sur l’os humain pourraient être un catalyseur pour introduire davantage de matériaux dans l’industrie de la construction. » Vous pouvez trouver plus d’informations ICI.

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