Les joueurs de football (et tous ceux qui subissent des coups durs) voudront peut-être pousser un soupir de soulagement.
Dans le cadre de recherches récentes, des ingénieurs de l’Université du Colorado à Boulder et des Sandia National Laboratories ont développé une nouvelle conception de coussin capable de résister à des impacts importants. Les innovations de l’équipe, qui peuvent être imprimées sur des imprimantes 3D disponibles dans le commerce, pourraient un jour être utilisées dans tous les domaines, des cartons d’expédition aux tapis de football, tout ce qui aide à protéger les objets ou les corps fragiles des coups de la vie.
L’équipe a décrit la technologie dans le journal en janvier «Technologies avancées des matériaux».
“L’atténuation des impacts est importante partout”, a déclaré Robert MacCurdy, auteur correspondant de l’étude et professeur adjoint au département de génie mécanique Paul M. Rady de CU Boulder. «On le retrouve dans les garde-corps, les genouillères et coudières, ainsi que dans les usines de conditionnement.»
La recherche jette un nouveau regard sur quelque chose que la plupart des gens rencontrent tout le temps mais remarquent rarement : les mousses. Ce sont des matériaux souples remplis d’innombrables petits trous et canaux. Imaginez emballer des cacahuètes ou des balles anti-stress. MacCurdy a déclaré que les mousses absorbent bien les impacts, mais qu’elles présentent un inconvénient majeur : si vous pressez une mousse suffisamment fort, elle finira par se comprimer en une boule de coton rigide.
Lui et ses collègues pensent qu’ils peuvent faire mieux.
Dans la nouvelle étude, le groupe a écrit des algorithmes informatiques pour redessiner méticuleusement l’intérieur des matériaux de rembourrage, afin qu’ils se plient sous l’effet de la force, mais uniquement selon un motif soigné. Lorsque le groupe a testé ses conceptions en laboratoire, il a découvert que son rembourrage pouvait absorber jusqu’à 25 % de force en plus que les technologies de pointe actuelles.
“Le matériau que vous utilisez pour absorber les chocs est important”, a déclaré MacCurdy. “Mais ce qui compte vraiment, c’est la géométrie.”
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Pour comprendre pourquoi certains oreillers fonctionnent bien et d’autres non, il est utile de regarder au plus profond de soi.
Par exemple, ce qui donne à la mousse son rebond, ce sont tous les petits coins et recoins. Lorsque vous pressez une éponge, explique MacCurdy, ces espaces vides commencent à se fermer, ce qui absorbe de l’énergie.
Certains ingénieurs sont allés au-delà de cette conception de base. Au lieu de cela, ils fabriquent le rembourrage à partir d’un réseau de tours hexagonales ou de « grilles de plaques » qui ressemblent un peu à des nids d’abeilles. Par exemple, lorsqu’un secondeur heurte un tel coussin, l’impact provoque l’effondrement des nids d’abeilles par vagues. Cela permet aux forces d’être absorbées plus efficacement.
Cependant, dit MacCurdy, les chercheurs s’efforcent depuis longtemps de trouver un rembourrage de référence – une technologie qui non seulement absorbe beaucoup de force, mais peut également absorber de nombreux types de force différents avec la même finesse.
« Lorsque vous conduisez votre vélo et que vous avez un accident, vous ne savez pas s’il s’agit d’une collision à basse vitesse ou à grande vitesse. Quoi qu’il en soit, vous vous attendez à ce que votre casque soit performant », a-t-il déclaré. “Nous essayons de développer une géométrie qui fonctionne bien dans tous ces scénarios.”
Donne la pression
Pour créer un oreiller plus polyvalent, l’ingénieur et ses collègues ont décidé de réorganiser l’intérieur de ces objets à l’échelle d’un millimètre ou moins.
Le groupe a d’abord utilisé un logiciel personnalisé pour concevoir un réseau de nids d’abeilles, puis l’a peaufiné pour y incorporer quelques détails, un peu comme le soufflet d’un accordéon. Ces plis aident à guider les nids d’abeilles lorsqu’ils se compriment lors d’un impact, permettant un effondrement beaucoup plus fluide.
“Dès que vous commencez à comprimer ces structures, elles absorbent une certaine force”, a déclaré MacCurdy. “Les meilleures conceptions d’amortisseurs garantissent une force constante sur toute la plage de compression.”
En d’autres termes, contrairement à la mousse, ces oreillers se comportent de la même manière, quelle que soit la force avec laquelle vous les pressez – ou du moins jusqu’à un certain maximum.
Les chercheurs voulaient également s’assurer que leur rembourrage pourrait résister aux impacts et aux contusions du monde réel. À l’aide d’une imprimante 3D, ils ont créé des blocs de la taille d’une petite brique à partir d’un matériau résilient appelé polyuréthane thermoplastique. Ils ont ensuite été écrasés à l’aide d’une machine d’essai d’impact.
Le groupe a découvert que leurs blocs pouvaient absorber environ six fois plus d’énergie que les mousses standard fabriquées à partir du même matériau et jusqu’à 25 % de plus que les autres structures en nid d’abeille. MacCurdy et ses collègues travaillent actuellement à améliorer encore davantage leurs structures. Il a ajouté que les ingénieurs peuvent réaliser de telles conceptions à partir de nombreux matériaux différents, des plastiques résilients aux matériaux plus durs comme l’aluminium.
En d’autres termes, le monde pourrait bientôt devenir beaucoup plus doux.