Depuis plus de vingt ans, le campus Arts et Métiers de Bordeaux – Talence est un acteur majeur de la recherche sur les matériaux architecturés.
Au sein du département DuMAS (Durabilité des Matériaux, Assemblages et Structures) du laboratoire I2M*, chercheurs et ingénieurs explorent la façon dont la géométrie interne des matériaux, de l’échelle nano à l’échelle macroscopique, permet d’allier légèreté, performance mécanique et durabilité. Un champ scientifique aujourd’hui stratégique pour de nombreux secteurs industriels.
Comprendre la durabilité grâce aux matériaux architecturés
À l’origine de ces travaux, une problématique simple et concrète : comment alléger les structures tout en conservant (voire en améliorant) leurs performances mécaniques, notamment face aux chocs et aux sollicitations répétées.
Les premières recherches ont porté sur des matériaux cellulaires naturels (comme le balsa ou le bois) et synthétiques (mousses polymères), appréciés pour leur excellent rapport masse/performance. Ces matériaux sont capables d’absorber beaucoup d’énergie sans alourdir les structures.
L’essor de la fabrication additive, en particulier métallique, a marqué un tournant. Il est désormais possible de contrôler précisément la géométrie interne des matériaux, ouvrant la voie à une question centrale pour le département DuMAS : comment la fabrication additive métallique influence-t-elle les propriétés mécaniques et la durabilité globale d’un matériau ?
Pour y répondre, les chercheurs adoptent une approche multi-échelles (micro, méso, macro), combinant modélisation numérique et validation expérimentale.
Du bio-inspiré à la fabrication avancée : le projet IEA BIM (Bio-inspired, functionally graded nano-architectures for Impact Mitigation)
Cette approche se concrétise notamment dans le projet IEA CNRS, mené en collaboration avec le MIT.
L’objectif : concevoir des structures nano-architecturées bio-inspirées, issues de l’étude de matériaux cellulaires naturels comme la peau du Citrus maxima (pamplemoussier).
La conception de ces architectures repose sur des outils développés au DuMAS, dont Microgen, un logiciel open-source permettant de générer et paramétrer des architectures périodiques ou aléatoires, intégrant tortuosité et variations de densité.
Ces structures sont ensuite fabriquées par fabrication additive :
• à l’échelle micro et nano, grâce à la lithographie 2-photon, via des collaborations internationales ;
• à des échelles plus grandes, grâce à la plateforme FuturProd du campus, qui permet de transposer ces concepts vers des structures métalliques.
Tester, observer, modéliser : du laboratoire au crash
L’évaluation de ces matériaux commence à l’échelle microstructurale, grâce à des techniques de pointe comme la microscopie électronique, l’EBSD ou la tomographie. Ces outils permettent de relier finement procédé de fabrication, architecture interne et propriétés mécaniques.
Les essais mécaniques couvrent ensuite un large spectre : du quasi-statique aux sollicitations dynamiques très rapides. Dans le cadre du projet IEA, les structures nano-architecturées sont testées à différentes vitesses de déformation à l’aide d’un nano-indenteur, puis soumises à des impacts à très haute vitesse.
Les chercheurs s’appuient également sur les grands instruments, notamment la nanotomographie synchrotron (ID16B – Grenoble), capable d’observer en 3D l’évolution des architectures avec une résolution de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. Ces données alimentent des modèles numériques haute-fidélité, utilisés pour prédire la durée de vie des matériaux et optimiser leurs architectures.
Ce va-et-vient constant entre expérimentation, imagerie avancée et simulation numérique constitue l’ADN du DuMAS.
Un écosystème tourné vers l’industrie et l’impact sociétal
Ces recherches s’inscrivent dans un continuum de financements publics (Région, ANR, Carnot, IEA CNRS) et de partenariats industriels. Des acteurs majeurs comme le CEA ou Safran s’intéressent directement à ces matériaux capables d’alléger les structures, d’absorber l’énergie et de conserver leurs performances sous sollicitations sévères.
Vingt ans après les premières études sur les mousses polymères, les matériaux architecturés développés à Bordeaux – Talence, du bio-inspiré au métallique et du nanomètre au mètre, ouvrent aujourd’hui des perspectives majeures pour l’aéronautique, l’énergie, le médical, la mobilité ou le bâtiment, où le triptyque masse / performance / impact environnemental est devenu stratégique.
*Institut de mécanique et d’ingénierie de Bordeaux (I2M / Arts et Métiers, CNRS, université de Bordeaux, Bordeaux INP, Inrae)
