De nombreuses innovations modernes peuvent être attribuées à des adaptations du monde naturel qui nous entoure, mais l’application des principes trouvés dans la nature à des réalisations concrètes n’est pas exactement la même chose. Le velcro provient d’une plante sauvage, les éoliennes sont basées sur une nageoire de baleine et les réflecteurs routiers qui nous guident la nuit sont issus des propriétés réfléchissantes de l’œil d’un chat.

Récemment, les ingénieurs se sont intéressés à la structure unique des ailes en forme de cloche d’un coléoptère (Pachnoda marginata). Grâce à ses deux couches distinctes – une couche supérieure en forme de cloche et une couche inférieure presque droite – l’aile est rigide en cas de tension et de flexion vers le haut, mais flexible en cas de compression et de flexion vers le bas.

Cette découverte sur la façon dont la membrane de l’aile postérieure du coléoptère change de forme en vol a permis de mettre au point une conception de charnière unidirectionnelle avec une applicabilité biomimétique sur une gamme de tailles considérable. Les matériaux biomimétiques sont des matériaux synthétiques qui reproduisent des objets biologiques naturels. Et parce qu’ils sont fabriqués par l’homme, ces matériaux doivent être testés.

Une nouvelle conception de charnière prend son envol

Le concept de charnière, inspiré des insectes, est exploré dans de nombreux secteurs, notamment en tant que conception modulaire facile à assembler et à désassembler, en tant que conception de pneus sans air et en tant que métamatériaux avec un coefficient de Poisson nul, où le comportement compressif du matériau est contrôlé à l’aide de joints, puisque le matériau ne se déforme pas transversalement en réponse à une déformation axiale.

Ingénierie de nouveaux matériaux

Pour s’assurer que ces différents scénarios soient applicables dans le monde réel, une machine d’essai universelle Tinius Olsen équipée d’un capteur de 500 N a été utilisée, non seulement pour effectuer les essais de traction et de compression nécessaires, mais aussi pour les combiner avec des configurations personnalisées.

Disponible avec une variété de capteurs de différentes capacités pour donner des mesures précises de la charge appliquée, la machine d’essai mécanique 1ST est conçue pour les essais de traction, de compression, de flexion et de résistance au cisaillement sur les matériaux et les assemblages. Elle peut prendre en charge des scénarios allant du plus petit spécimen d’essai à ceux qui vont jusqu’à la pleine capacité de la machine.

Pour les modèles modulaires, la charnière à membrane double couche a été testée en flexion trois points et soumise à un déplacement de 10 mm à une vitesse constante de 1 mm/sec dans deux directions opposées.

Le pneu sans air et le métamatériau ont été testés en compression, le pneu sans air étant soumis à un déplacement de 20 mm à une vitesse constante de 1 mm/sec entre deux plaques plates, tandis que le métamatériau a été soumis à une force maximale de ~500N à un déplacement croissant de 1 mm/sec entre deux plaques plates.

Les essais de matériaux des conceptions se sont avérés essentiels pour garantir la sécurité, la fiabilité et la validité des concepts techniques.

Scénarios d’essai appropriés

Les essais de compression mesurent les variables fondamentales, notamment les contraintes, les déformations et les déformations lorsqu’un matériau est soumis à une charge de compression, afin de déterminer le comportement ou la réponse de ce matériau. L’objectif est de déterminer si un matériau est adapté à des applications spécifiques ou s’il va céder sous des contraintes spécifiques.

La résistance à la traction est la contrainte à laquelle un matériau se brise ou se déforme de manière permanente. Elle est couramment utilisée pour tester des matériaux utilisés dans des applications structurelles ou dans des conceptions mécaniques.  En règle générale, un échantillon serré est soumis à un taux constant de charge de traction, de sorte qu’il s’étire et finit par se rompre.

Lors de la conception de nouveaux matériaux destinés à être commercialisés, ces paramètres sont essentiels pour garantir la fiabilité et la sécurité, ainsi que pour améliorer la rentabilité. Connaître le résultat attendu d’un nouveau concept initial aidera les ingénieurs à aller plus loin dans le développement de produits et l’innovation technologique.

Cette charnière biologique à sens unique offre une inspiration biométrique pour la conception et le développement de structures d’ingénierie qui présentent des réponses asymétriques à des forces égales appliquées dans des directions différentes. C’est particulièrement intéressant parce que la membrane à double couche offre un moyen simple et peu coûteux de réaliser une charnière unidirectionnelle sans augmenter la masse.

Mais ce concept inspirant peut-il se concrétiser dans le monde réel ? Les données et les connaissances acquises à l’aide d’une machine d’essai mécanique Tinius Olsen aident les ingénieurs à comprendre non seulement les limites, mais aussi les possibilités des matériaux nouvellement conçus.  Les résultats permettent d’aller encore plus loin dans l’application des nouvelles innovations, comme dans le cas de l’aile articulée du coléoptère.

Dans ce cas particulier, la charnière est du type à double membrane, qui dépend du flambage réversible d’une plaque mince. Les simulations informatiques à échelle réelle et la modélisation physique à grande échelle ont permis de confirmer que cette membrane double peut agir comme une charnière unidirectionnelle.

Les essais de matériaux renforcent l’innovation

Notre monde moderne repose sur les technologies d’ingénierie rendues possibles par l’innovation, mais c’est sur les essais de matériaux que l’on s’appuie depuis longtemps pour concrétiser ces concepts.  La réalisation d’avancées conceptuelles au-delà des hypothèses nécessite des analyses solides et des méthodes d’essai éprouvées qui garantissent la fiabilité du produit, la sécurité du consommateur et le rendement à long terme.