Aller au contenu principal

Les collab' | #3 Airbus Helicopters et l'ISM

Étude du mouvement
S'inspirer de la nature pour développer des systèmes mécaniques innovants

Les collab' | #3 Airbus Helicopters et l'ISM

Next step de notre série « Les collab' » : zoom sur le partenariat qui rassemble l’Institut des Sciences du Mouvement (ISM*) et Airbus Helicopters.

S'inspirer de la nature pour développer des systèmes mécaniques innovants

De 2015 à 2020, l’Institut des Sciences du Mouvement (ISM*) et Airbus Helicopters ont travaillé au développement de systèmes mécaniques bio-inspirés permettant de réduire l’usure des composants d’un hélicoptère, dans le cadre de la Chaire industrielle « Conception mécanique bio-inspirée ».

Une problématique scientifique au cœur de la chaire : l’usure des composants mécaniques

Jusqu’à présent, Airbus utilisait les technologies et méthodologies issues du développement de la mécanique opéré au début du 19ème siècle, pour développer ses hélicoptères. Les sollicitations mécaniques des pièces, dues aux performances accrues des appareils font que l’on atteint aujourd’hui les limites de ces « pratiques » en termes d’usure des composants mécaniques. En effet, même si les composants s’usent moins grâce à l’apport de traitements de surface thermochimiques complexes, comme la cémentation, carbonitruration ou encore la nitruration, ces revêtements restent très couteux et difficiles à mettre en œuvre. Une nouvelle alternative consisterait à plutôt tenter de réduire la pression de contact entre les éléments mobiles.

S’inspirer de Dame nature : la conception mécanique bio-inspirée

La recherche d’une solution peut passer par ce qui est aujourd’hui baptisé la « bio-inspiration » : comment la nature-a-t-elle fait pour optimiser certaines structures durant des millions d’années, pour permettre à certaines espèces animales de très longues migrations ou le support d’un poids important en mouvement ? C’est la question posée au cœur de la chaire Airbus Helicopters – ISM, avec d’un côté des chercheurs de l’équipe « Conception Bio-Inspirée » (CBI), et de l’autre l’industriel confronté à des situations d’usures prématurées. L’objectif de cette collaboration consistait à étudier puis s’inspirer de la nature pour développer des systèmes artificiels innovants, afin d’« aboutir à une rupture dans la conception de la géométrie des liaisons mécaniques élémentaires, en s'inspirant des géométries vivantes ou fossilisées façonnées par la nature durant des millions d'années ».

Les ressources et la démarche scientifique

Avec l’accès aux réserves du Musée d’Histoire Naturelle de Paris, les scientifiques ont pu bénéficier des ressources et d’un ensemble de structures naturelles présentes au sein de différentes espèces animales. En scannant des os d’éléphants, de gnous ou encore d’antilopes, ils ont ainsi démontré que certains animaux présentaient des surfaces de contact spécifiques, permettant de mieux gérer la pression, et donc de limiter le phénomène d’usure.

Mesure de la géométrie d'un os d'éléphant par mesure optique

Géométrie d'une liaison animale

Mesure de la géométrie d'un os d'éléphant par mesure optique
Géométrie d'une liaison animale
©ISM - Photos prises dans les réserves du Musée d'Histoire Naturelle à Paris

Les résultats

Les travaux effectués, via 2 thèses CIFRE, ont déjà consisté à calculer les efforts, puis la pression de contact mis en jeu dans les liaisons biologiques de référence. Il a été montré que les liaisons mécaniques proposées par la nature sont beaucoup plus performantes, car meilleures dans la répartition des efforts locaux, générant des pressions beaucoup plus faibles et acceptant des matériaux aux propriétés de résistance plus faibles.

Outre la compréhension de ces liaisons et géométries nouvelles d’intérêt, les chercheurs ont aussi constaté que la structure des os, creux et alvéolés, semblait répondre à une loi de la nature mise en évidence. Cette loi pourrait aussi être utilisée pour la réalisation d’ensembles mécaniques plus performants dans un avenir proche.

Au terme de ces 5 années de collaboration, le bilan des travaux est très positif. Ce partenariat a été fructueux aussi bien pour le laboratoire de recherche que pour Airbus Helicopters, puisque les travaux ont conduit à la publication de 7 articles dans des revues internationales, au recrutement de deux docteurs par le constructeur et au transfert de nouvelles géométries de liaison pivot sur les futures conceptions d’Airbus Helicopters.

Enfin, ces travaux ont permis de révéler de nouvelles géométries de liaisons mécaniques, ainsi que de nouvelles structures, qui pourraient bénéficier à d’autres domaines applicatifs nécessitant des mouvements répétés et transmettant des efforts, comme par exemple les prothèses sportives ou de futurs équipements sportifs.

 

*Unité Carnot STAR, l’ISM (Aix-Marseille Université/CNRS) se définit par une « approche interdisciplinaire innovante en Sciences du Mouvement », interdisciplinarité qui lui permet d’adresser des marchés pluriels allant -entre autres- du sport, aux transports ou encore à la Santé et à la Silver economy (bien-vieillir).