Cutting Soft Materials
Découpe de matériaux souples
Résumé
Cutting is a ubiquitous process with wide ranging implications, culturally and technologically. Experimenting on the kitchen table, we quickly learn that the easiest way to cut soft solids with a knife is by a slicing action, i.e., dragging the sharp blade over the soft surface without pushing too strongly into it; indeed, pushing the edge of a knife too strongly into a soft solid only squashes it. Moreover, applying a compression in a plane orthogonal to the direction of cutting can be of great help for guiding the cut. However, more generally the forces applied for both cutting and holding the object are responsible for uncomfortable large strains, which induce strong perturbations in the final shape of the parts. Beyond these everyday examples, the cutting of soft materials is of great interest in industrial food processing, in tissue analysis in the context of histology, etc. [1]. The initial developments of cutting science and technology were mostly devoted to metal machining and focused on plastic deformations induced by the motion of the blades though the material. The importance of fracture toughness in cutting was only acknowledged in the 60’s after the development of linear elastic fracture mechanics, leading to important advances in the understanding of cutting mechanics of more brittle materials [2]. However, a unifying physical view of cutting that may be suitable for a larger class of materials is still lacking, especially for soft materials. The standard tools of linear elastic fracture mechanics are not suited to treat a problem where the driving arises directly at the crack lips instead of remotely. The local crack fields are strongly coupled with the shape and motion of the blade, involving subtle adhesion and friction problems. In this context the fracture energy and direction of propagation are not independent of shape of the blade and new tools have to be developed to describe them. Although the case of soft materials is of particular importance for many industrial applications, very few tools are available to deal with the very strong nonlinear deformations at different scales, which make it difficult to cut parts of the desired shape and with good surface finish. This project aims at performing cutting experiments on model soft materials in controlled situations, in order to bridge this gap, while profiting of the significant advances that have recently been made on fracture and adhesion of soft dissipative materials [3]. On the one hand, we aim at clarifying the relevant notions of cutting energy and directionality of the cut as a function the shape and motion of the blade. On the other hand, was intended the development tools for predicting the final shape of the cut parts in order to allow forward design.[1] E. Reyssat, T. Tallinen,1, M. Le Merrer, and L. Mahadevan. Slicing Softly with Shear. PRL 109, 244301 (2012).[2] T. Atkins. The Science and Engineering of Cutting (2009).[3] C. Creton and M. Ciccotti. Fracture and adhesion of soft materials : a review, Reports on Progress in Physics, 79, Art N. 046601 (2016).
La découpe est un processus omniprésent avec des implications étendues, tant culturellement que technologiquement. En expérimentant à la table de cuisine, nous apprenons rapidement que la manière la plus facile de couper des solides mous avec un couteau est par une action de tranchage, c'est-à-dire en faisant glisser la lame tranchante sur la surface molle sans trop pousser dessus ; en effet, pousser trop fort avec le bord d'un couteau dans un solide mou ne fait que l'écraser. De plus, l'application d'une compression dans un plan orthogonal à la direction de la coupe peut être d'une grande aide pour guider la découpe. Cependant, de manière plus générale, les forces appliquées à la fois pour la coupe et pour maintenir l'objet sont responsables de grandes contraintes inconfortables, qui induisent de fortes perturbations dans la forme finale des pièces. Au-delà de ces exemples quotidiens, la découpe des matériaux mous présente un grand intérêt dans le traitement industriel des aliments, dans l'analyse des tissus dans le contexte de l'histologie, etc. [1]. Les premiers développements de la science et de la technologie de la découpe étaient principalement consacrés à l'usinage des métaux et se concentraient sur les déformations plastiques induites par le mouvement des lames à travers le matériau. L'importance de la ténacité à la rupture dans la découpe n'a été reconnue qu'à partir des années 60, après le développement de la mécanique de la rupture élastique linéaire, ce qui a conduit à des avancées importantes dans la compréhension de la mécanique de la découpe des matériaux plus cassants [2]. Cependant, une vue physique unifiée de la découpe, adaptée à une plus large classe de matériaux, fait toujours défaut, notamment pour les matériaux mous. Les outils standards de la mécanique de la rupture élastique linéaire ne sont pas adaptés pour traiter un problème où la fissuration se produit directement au niveau des lèvres de la fissure plutôt que de manière éloignée. Les champs locaux de fissuration sont fortement couplés avec la forme et le mouvement de la lame, impliquant des problèmes subtils d'adhésion et de friction. Dans ce contexte, l'énergie de rupture et la direction de propagation ne sont pas indépendantes de la forme de la lame et de nouveaux outils doivent être développés pour les décrire. Bien que le cas des matériaux mous soit d'une importance particulière pour de nombreuses applications industrielles, très peu d'outils sont disponibles pour traiter les déformations très fortement non linéaires à différentes échelles, ce qui rend difficile la découpe de pièces de la forme désirée avec une bonne finition de surface. Ce projet vise à réaliser des expériences de découpe sur des matériaux mous modèles dans des situations contrôlées, afin de combler cette lacune, tout en profitant des avancées significatives récemment réalisées dans le domaine de la rupture et de l'adhésion des matériaux dissipatifs mous [3]. D'une part, nous visons à clarifier les notions pertinentes d'énergie de découpe et de directionnalité de la coupe en fonction de la forme et du mouvement de la lame.[1] E. Reyssat, T. Tallinen,1, M. Le Merrer, and L. Mahadevan. Slicing Softly with Shear. PRL 109, 244301 (2012).[2] T. Atkins. The Science and Engineering of Cutting (2009).[3] C. Creton and M. Ciccotti. Fracture and adhesion of soft materials: a review, Reports on Progress in Physics, 79, Art N. 046601 (2016).
Domaines
Chimie théorique et/ou physiqueOrigine | Version validée par le jury (STAR) |
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