GT3 – Matière : fabrication, essais et durabilité des métamatériaux

Les métamatériaux architecturés sont organisés sur plusieurs échelles. Leur fabrication et caractérisation (pertes, durabilité, résilience, comportement dynamique, etc.) est un défi technologique d’actualité. Cela est très important pour comprendre (et modéliser) l’impact des imperfections liées aux procédés de fabrication (afin de limiter leur impact sur les performances attendues théoriquement). Dans ce sens, le troisième groupe de travail représente le trait d’union entre le monde théorique / numérique et le « monde réel », c’est à dire fabriquer des métamatériaux architecturés à partir d’un matériau constitutif et du choix d’un procédé de fabrication donné, nécessairement imparfait, tant géométriquement qu’en ce qui concerne l’état matière (anisotropie, homogénéité, etc.). Ce GT essayera de répondre essentiellement aux questions suivantes :

(1) Jusqu’à quel niveau les propriétés souhaitées sont-elles émergentes malgré les imperfections ?

(2) Quelles sont les propriétés mécaniques et dynamiques (rigidité, amortissement, absorption, limite de fatigue) du matériau obtenu (et comment les mesurer et les modéliser) ?

Les réponses à ces questions impliquent nécessairement de caractériser l’état matière après fabrication. Il est également nécessaire de développer des essais dynamiques et statiques spécifiques permettant la mesure des propriétés effectives du métamatériau. Finalement, il est nécessaire d’évaluer leur tenue mécanique et leur performances dynamiques et vibro-acoustiques en vue du développement de critères de design et de dimensionnement.

Matériaux constitutifs (polymères, biosourcés, métaux, ...). Plusieurs typologies de matériaux constitutifs seront explorées, à partir (i) des métaux classiques, dans lesquels les problématiques de rigidité et viscoélasticité sont plutôt limitées, (ii) aux polymères, qui permettent d’atteindre intrinsèquement des bons niveaux d’amortissement et absorption mais aux dépenses de la rigidité et où une modélisation viscoélastique est nécessaire. Enfin, les filières des biosourcés seront aussi explorées (répondent aux enjeux du développement durable). Les matériaux biosourcés sont issus de la matière organique renouvelable (biomasse), d’origine végétale ou animale (bois, chanvre, paille, ouate de cellulose, textiles recyclés, balles de céréales, miscanthus, liège, lin, chaume, herbe de prairie, etc.).

Métrologie de la fabrication. Lors de la fabrication d’un échantillon de métamatériau architecturé, par impression 3D ou autre procédé, il est essentiel d’évaluer de façon quantitative sa qualité. Cela peut concerner notamment les propriétés du matériau constitutif et la géométrie de l’architecture. En effet les phénomènes de rétrodiffusion (scattering), résonnance ou plus en générale la cinématique de l’architecture, à l’origine des propriétés exceptionnelles de ces métamatériaux, sont susceptibles d’être très sensibles par rapport aux variations de ces paramètres. Ceci est également vrai pour les propriétés statiques [PON]. Une bonne caractérisation des facteurs influençant ces propriétés, à travers la mise en place de protocoles dédiés et spécifiques, constitue un pas en avant par rapport à la réelle implémentation des métamatériaux architecturés dans les applications d’ingénierie.

Conception d’essais adaptés en statique et en dynamique. Si des travaux expérimentaux majeurs ont été fait par le passé concernant l’anisotropie de matériaux standards [BOE, EBE], on constate que l’étude de matériaux architecturés est, elle, restée très limitée. Cela vient d’abord de la complexité de leur comportement qui requière des sollicitations et mesures très riches (les essais biaxiaux standards permettent de réaliser de la traction dans 2 directions perpendiculaires et du cisaillement, mais toujours dans le même repère principal). Ensuite la production tardive de matériaux architecturés n’a logiquement permis leur caractérisation que récemment. Enfin, l’application des conditions aux limites doit être entièrement repensée car leur influence est très importante pour les matériaux standards où le principe de Saint Venant s’applique [DAS].

Durabilité et résilience des métamatériaux. Les métamatériaux tel qu’envisagés dans ce projet ont pour but d’être utilisés en ingénierie. C’est à dire qu’outre sa fonction première le système doit avoir une tenue mécanique et une durée de vie compatible avec son utilisation pratique. Il doit en outre être résilient [GLA, RET]. Il est donc nécessaire d’évaluer la résistance mécanique des métamatériaux architecturés, cette évaluation implique la réalisation d’essais de caractérisation ainsi que le développement de critère de durée de vie.