Structures sandwich multicouches bioinspirées, fabriquées par impression 3D, avec configurations de noyau variées sous compression hors plan

Pourquoi la protection contre les chocs inspirée de la nature compte

Des pare-chocs de voiture aux cabines d’avion, de nombreux véhicules modernes reposent sur des panneaux « sandwich » cachés qui doivent être légers tout en étant capables d’absorber d’énormes forces lors d’un accident. Cette étude explore une nouvelle classe de ces panneaux inspirée du cupule rugueux et protecteur entourant un gland de chêne. En reproduisant cette forme naturelle par impression 3D et en ajustant finement le motif interne, les chercheurs montrent comment concevoir des structures plastiques légères, recyclables et bien plus performantes pour amortir les chocs.

S’inspirer du chêne

Le point de départ est le cupule de chêne, la coque écailleuse qui berce le gland lorsqu’il tombe. Dans la nature, cette coque répartit les forces d’impact via un réseau de parois fines et de cavités. L’équipe a transposé cette idée en panneaux manufacturés construits comme un sandwich : deux plaques externes plates et rigides encadrant un noyau creux et structuré. Au lieu de mousse, le noyau est composé de nombreuses petites formes cellulaires empilées en plusieurs couches. Ces formes ont été choisies pour imiter des motifs observés dans la nature et pour tester lesquelles résistent le mieux aux forces d’écrasement.

Construire des noyaux complexes par impression 3D

Pour transformer ces dessins en pièces réelles, les chercheurs ont utilisé un procédé d’impression 3D à base de poudre appelé Multi Jet Fusion, en travaillant avec un plastique technique résistant, le Nylon PA12. Cette méthode permet de produire des motifs internes complexes sans colle ni boulons, de sorte que les plaques et le noyau sortent en une seule pièce. L’équipe a imprimé des panneaux multicouches dont les noyaux suivaient quatre agencements de base : cellules rhombiques, hexagonales, carrées et circulaires. Ils ont aussi varié la taille des cellules, l’espacement entre cellules voisines et l’alignement des couches corruguées (empilées dans la même direction ou orientées différemment d’une couche à l’autre).

Tests d’écrasement et enseignements

Les panneaux ont ensuite été comprimés lentement entre des plaques d’acier planes tout en mesurant la force et le déplacement. Ces essais reproduisent ce qui se passe lorsqu’un mur ou un plancher d’un véhicule est pressé de l’extérieur lors d’une collision. Au départ, chaque panneau réagit de façon élastique et reprend sa forme quand la charge est retirée. À mesure que la charge augmente, les parois internes minces commencent à se plier, à flamber et à fissurer, et le panneau entre dans un long « plateau » où il continue d’absorber de l’énergie en s’effondrant. En suivant la courbe de force et la surface sous cette courbe, l’équipe a calculé l’énergie totale absorbée et l’énergie absorbée par gramme de matériau, une mesure clé pour les conceptions sensibles au poids.

Quelles formes fonctionnent le mieux

Les motifs rhombiques et hexagonaux se distinguent. Les panneaux à noyau rhombique ont absorbé environ 440 joules avec la meilleure énergie par gramme, tandis que les noyaux hexagonaux s’en sont approchés. Leurs parois angulées ou facettées offrent de nombreux chemins pour la circulation des forces, favorisant un pliage progressif plutôt qu’une rupture brutale. Les noyaux carrés et circulaires ont absorbé nettement moins d’énergie, en partie parce que les angles vifs ou les parois entièrement courbes concentrent les contraintes et provoquent des effondrements locaux précoces. Réduire la taille de chaque cellule, tout en conservant la taille globale du panneau, augmente la force de pointe et l’énergie absorbée pour les noyaux circulaires et hexagonaux. Augmenter modérément l’écart entre les cellules retarde davantage les interactions entre parois voisines et prolonge la phase d’effondrement progressif.

Des couches qui coopèrent

La façon dont les couches sont empilées joue également un rôle majeur. Lorsque toutes les corrugations pointaient dans la même direction, de nombreuses parois cellulaires ont flambé en même temps, entraînant des chutes de charge plus nettes. En faisant pivoter chaque couche par rapport à la suivante, les instabilités se répartissent dans l’épaisseur du panneau. Ce décalage force la redistribution des efforts d’une couche à l’autre et augmente le frottement et le glissement entre elles. Tant pour les noyaux circulaires qu’hexagonaux, le motif alterné a augmenté l’absorption d’énergie totale d’environ un cinquième et a élevé l’énergie par gramme de plus de dix pour cent. Les noyaux hexagonaux avec petites cellules, espacement plus large et couches alternées offraient la performance la plus équilibrée, combinant une grande résistance de pointe et un amortissement très efficace.

Ce que cela signifie pour des structures plus sûres et plus légères

Pour un non-spécialiste, le message principal est que le motif interne et l’agencement des couches à l’intérieur d’un panneau peuvent être tout aussi importants que la quantité de matériau utilisée. En empruntant des motifs au cupule du gland de chêne et en les fabriquant par impression 3D, l’équipe montre que des cellules intelligemment dessinées et empilées peuvent transformer une feuille de plastique légère en un absorbeur d’impact très performant. De tels panneaux pourraient aider les futures voitures, trains et avions à mieux protéger les personnes tout en réduisant la consommation de carburant et les déchets matériels.

Citation: Taghizadeh, S., Cheng, L., Askari, M. et al. Additively manufactured bioinspired multilayer sandwich structures with varied core configurations under out-of-plane compression. Sci Rep 16, 15833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41021-4

Mots-clés: structures bioinspirées, panneaux sandwich, absorption d’énergie, fabrication additive, tenue au crash