Biomimétisme & lightweight design :
un pari gagnant
Le challenge est quasi-universel. Il concerne toutes les industries : pour produire mieux, pour rationaliser l'utilisation de la matière et pour réduire l'impact environnemental d'un produit ou d'un composant, il faut pouvoir penser des structures intelligentes, alliant au mieux le rapport poids / résistance.
Ce défi est particulièrement exacerbé dans l'aéronautique et dans l'automobile, secteurs sous le feu des projecteurs et devant absolument réduire la consommation de leurs produits ainsi que leurs émissions de CO2. Un objectif qui paraît parfois contradictoire par rapport aux tendances marché, notamment à cause de la complexification des systèmes : en Europe, le poids des véhicules a augmenté de 60% depuis 1960.
Comment concevoir des structures, ou façonner et employer des matériaux plus légers et tout aussi robustes ? Champion du lightweight design, le biomimétisme est une réponse idéale, et qui a déjà fait ses preuves dans ce domaine !
©Airbus | P.Masclet / master films
Spécialiste du domaine, Bioxegy vous explique pourquoi et comment le biomimétisme est un outil de conception incontournable en matière de lightweight design et vous livre une sélection d'exemples particulièrement évocateurs.
La Nature, championne de la légèreté et du moindre effort
Pour chasser, se nourrir ou se défendre, pour faire face aux aléas de l'environnement, les espèces vivantes doivent composer au mieux entre mobilité, robustesse, légèreté et flexibilité.
L'évolution les a aussi dotées des meilleures principes anatomiques pour rationaliser la consommation d'énergie et de matière.
Leur organisme repose donc sur une conception qui doit garantir les meilleurs propriétés structurelles tout en assurant une sobriété matérielle.
Rien n'est laissé au hasard. La nature a développé des stratagèmes ou matériaux particulièrement intelligents et un savoir-faire illimité pour optimiser le rapport entre masse et robustesse.
Les architectures sont soigneusement travaillées à chaque échelle, du millimètre jusqu’au nanomètre.
Adaptatifs, ces matériaux composites et structures du vivant remplissent souvent plusieurs fonctions à la fois : légèreté, résistance thermique ou acoustique, élasticité, étanchéité ou encore thermorégulation. Chez certaines espèces, on observe même des facultés remarquables de résilience et d'auto-réparation.
La fibre végétale :
entre souplesse, rigidité et légèreté
Souvenez-vous de la célèbre fable "Le Chêne et le Roseau" de La Fontaine. La fibre végétale des plantes, véritable composite formé de zones cristallines rigides et de zones amorphes souples est une structure naturellement légère et incroyablement souple. Elle absorbe les chocs sans se rompre.
Dans la conception d’un véhicule ou d'un avion par exemple, les ingénieurs favorisent depuis des années l'acier ou l'aluminium. Le biomimétisme pourrait permettre d'explorer des alternatives efficaces.
En Slovaquie, un inventeur a créé un cadre de vélo en composite formé d’un tissu bidirectionnel de fibres de bambou.
En plus d’être léger, souple et résistant, le bambou pousse vite et stocke du carbone, ce qui fait de lui un matériau renouvelable de qualité. Après de nombreux essais, le verdict est sans appel : le cadre en bambou absorbe mieux les chocs qu’un cadre classique en acier et cela sans casser.
La structure du bambou, pourrait bien révolutionner les structures de nombreux composants dans différentes industries, à commencer par celles de la mobilité.
L'anatomie des oiseaux :
la nécessaire recherche de légèreté
Une des plus grandes prouesses imaginées par la nature, celle qui a fait rêver des générations entières d'inventeurs, c'est le vol des oiseaux.
Pour pouvoir voler, parfois sur de longues distances, les oiseaux doivent être dotés d'anatomies particulièrement légères pour minimiser l'effort et la dépense énergétique. Leur structure osseuse est donc d'un intérêt évident à analyser.
Voyageons dans la forêt amazonienne : le toucan est un oiseau remarquable et coloré. C'est surtout son bec qui impressionne par sa taille. Il mesure près du tiers de l'animal.
Malgré ce volume imposant, il ne représente qu'un vingtième de la masse totale du toucan : pratique pour voler. Il doit, en même temps, être résistant pour permettre à l'oiseau de se défendre et de chasser.
Le compromis entre légèreté et résistance est atteint grâce à une structure en sandwich. La structure interne est spongieuse, légère et composée d'une mousse de cellules fermées. Elle permet d'amortir et de dissiper les chocs.
Cette partie interne est entourée de membranes externes solides et denses, constituées de plaques hexagonales de kératine, chevauchantes et collées entre elles par de la colle organique. De quoi améliorer la robustesse de l'ensemble du bec.
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Plus étonnant encore, ce bec remplit aussi une fonctionnalité centrale pour l'organisme du toucan : il lui permet de réguler sa température corporelle au dessous de 16°C par un mécanisme particulièrement efficace de dissipation de chaleur.
Particulièrement optimisé pour absorber les chocs à haute énergie, ce bec bio-composite peut donc inspirer des nouvelles structures mécaniques pour améliorer de nombreux produits ou composants, des véhicules aux avions, en passant par les articles de sport, et les éléments de construction dans le BTP par exemple.
Notons que les oiseaux ne sont pas les seuls dotés d'une anatomie taillée pour l'optimisation du rapport poids/résistance. C'est aussi le cas de nombreux animaux terrestres et marins, comme par exemple la seiche !
Les matériaux naturels :
l'enseignement des insectes
et crustacés
A une échelle plus fine, les matériaux naturels, comme ceux des insectes, des crustacés et des coquillages, ont d’ores et déjà permis à des chercheurs de créer de nouveaux matériaux à la fois légers et résistants. En voici quelques exemples particulièrement étonnants.
Les arthropodes forment un groupe d’animaux caractérisés par leur corps segmenté. Ils comprennent notamment les insectes et les crustacés dotés d’une carapace, un exosquelette, qu'on appelle cuticule.
Celui-ci est très résistant et représente une ligne de défense pour l'animal. Il absorbe les chocs qui peuvent subvenir pour protéger l'organisme interne.
Il doit sa robustesse à une alternance de couches souples et rigides. Une équipe du Wyss Institute de l'Université d'Harvard aux États-Unis, a réussi à reproduire ces propriétés micro-structurelles et multi-couches pour mettre au point un matériau aussi dur et tenace que l'aluminium, mais deux fois plus léger.
Ce bio-plastique a été baptisé le "Shrilk". Composé de chitine, matériau naturel souple et résistant, et de protéines de soie de fibroïne créées par de nombreux insectes, le Shrilk est un composé naturel, biocompatible et biodégradable.
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Crédits images : ©Wyss Institute at Harvard University
Dans l’automobile par exemple, l’aluminium remplace progressivement l'acier, car plus léger. En plus de cinquante ans, sa quantité est passée de 38 kg à plus de 180 kg en moyenne par voiture. Une tendance qui se confirmera à l'avenir pour atteindre 250 kg d'ici 2028.
Grâce à ses propriétés mécaniques comparables à celles de l’aluminium, à sa légèreté supérieure et à sa recyclabilité, le Shrilk est une alternative de choix qui pourrait, à terme, le remplacer ! Il pourrait être utilisé à grande échelle dans de nombreuses industries. Renouvelable et productible en masse, il est parfaitement compatible avec la fabrication additive.
La nacre :
ténacité et résistance thermique
Dans de nombreuses industries, les composants sont soumis à de fortes température. Un défi technique important.
Car à des températures élevées, les propriétés mécaniques des métaux se dégradent, ce qui les rend inutilisables.
Les matériaux les plus utilisés aujourd’hui pour outrepasser ce problème sont les céramiques, reconnues pour leur très grande résistance à haute température. Elles sont malheureusement d'une grande fragilité, notamment face à la propagation de fissures.
L'univers du biomimétisme en a une connaissance approfondie : c'est une problématique souvent rencontrée dans le vivant qui nous offre une source d'inspiration puissante.
Les ormeaux sont des mollusques marins à coquille. Sa nacre naturelle possède une microstructure multi-couches tout à fait remarquable.
Plusieurs laboratoires français se sont regroupés pour l'étudier. Grâce à ce modèle biologique, ils sont parvenus à créer une véritable nacre artificielle dix fois plus tenace que les céramiques classiques. Cette nouvelle céramique peut permettre de réduire la taille et donc la masse de différentes pièces en céramique.
Crédits images : ©Sylvain Deville, Florian Bouville, LSFC
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Algorithmes inspirés de la croissance osseuse : optimiser la conception
des structures
Le biomimétisme peut aller encore au delà. Car en plus d'être utile comme modèle pour la création de nouveaux matériaux, la nature peut inspirer des algorithmes de conception.
Chercheurs et ingénieurs ont cherché à créer de nouvelles structures plus résistantes, sobres en ressources et légères, ainsi que des méthodes de conception innovantes et inspirées du vivant. En voici un exemple pertinent.
Un nouvel algorithme de conception 3D a été créé car les sociétés Autodesk et APWorks afin de concevoir des cloisons internes pour les Airbus A320. Ces cloisons, qui séparent les différentes parties de la cabine et supportent les sièges des membres d'équipage, sont 65% plus légères que les structures existantes.
Ce logiciel emprunte aux principes de croissance osseuse dans lesquelles les régions les plus soumises aux contraintes mécaniques sont les plus fournies et denses. L'algorithme de conception teste une multitude de configurations structurelles distinctes afin de sélectionner la moins gourmande en ressources, tout en répondant aux contraintes établies. La structure est ainsi optimisée à l’échelle macro et à l’échelle micro.
Un tel algorithme permet de minimiser masse et matières d’une structure tout en conservant résistance et robustesse. Appliqué à la conception structurelle, sont potentiel est immense, et ce dans diverses industries.
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Crédits images : ©The Living
Autres perspectives prometteuses du biomimétisme dans les secteurs industriels
