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Comment les structures de treillis imprimées en 3D améliorent les propriétés mécaniques

L’impression 3D permet aux utilisateurs de créer assez facilement des formulaires très complexes. En bricolant les géométries internes des pièces imprimées, ils peuvent obtenir des propriétés mécaniques assez impressionnantes. L’un des meilleurs moyens d’obtenir de bons rapports résistance / poids, une absorption des chocs et du son souhaitable et des surfaces plus grandes consiste à imprimer des objets avec des structures en treillis.

Pourquoi des treillis?

Ce qui rend les treillis uniques, c’est la façon dont ils présentent les matériaux en éléments de conception pour former une structure idéale qui comprend des micro-architectures avec un réseau de nœuds et de poutres ou entretoises. Ce format réduit considérablement le poids tout en conservant l’intégrité structurelle et en donnant un plus grand degré de contrôle sur certaines caractéristiques. Ces parties interconnectées peuvent améliorer divers domaines de performance et même utiliser moins de matière sans affaiblir l’objet ni compromettre son intégrité.

Les treillis ont toujours été présents dans la nature, de la structure interne des os à la cristallographie des métaux. Il a également fait sensation dans l’architecture de la Tour Eiffel au travail de Shigeru Ban pour le Aspen Art Museum (qui se compose de papier infusé de résine à treillis triangulaire qui peut supporter le toit malgré son très faible poids tout en offrant une vue dégagée sur le toit translucide au-dessus).

Les treillis constituent également une grande partie de l’attrait visuel de ces types d’objets ou d’architecture, ouvrant des espaces avec des nœuds ou des poutres minces par opposition à des blocs de matériau solides. Ainsi, ils maximisent la transparence entre les aspects structurels des différents bâtiments, plafonds, meubles ou tours. Les monuments comme la tour Eiffel sont pour la plupart en plein air, mais présentent toujours un rapport résistance / poids élevé.

Ils sont également courants dans les éléments d’ingénierie tels que les échangeurs de chaleur ou les batteries, où la transmission d’énergie doit être optimale. La structure permet de couvrir une grande surface avec un minimum de parties interférentes, elle est donc également idéale pour les objets qui doivent être transparents ou semi-perméables.

Pourquoi des treillis imprimés en 3D?

L’impression 3D a donné aux treillis de nouveaux niveaux d’accessibilité. Structures en treillis imprimées en 3D sont beaucoup plus faciles à produire en raison du degré de contrôle sur la géométrie interne qu’offre la technologie. Ce n’est pas seulement le matériel non plus. Les logiciels d’optimisation de topologie, par exemple, ont rendu encore plus facile la cartographie des structures avec précision.

De plus, le style de dépôt couche par couche permet un meilleur contrôle des sections creuses qui sont cruciales pour créer de minuscules nœuds, poutres et entretoises dans les géométries internes des objets. En termes simples, les méthodes soustractives comme l’usinage CNC ne peuvent pas gérer de telles pièces par conception.

Avantages structurels

Les principales raisons d’imprimer des treillis en 3D sont les dispositions légères et l’équilibre élevé qu’il peut atteindre. Il présente également des avantages esthétiques majeurs avec ses espaces ouverts, ses nœuds complexes et beaucoup plus de possibilités de conception. Cependant, il existe également des avantages structurels qui vont au-delà du poids ou de l’apparence.

Un autre avantage qu’ils possèdent est d’utiliser la plus grande quantité d’espace avec une faible utilisation de matériaux. Les treillis peuvent étendre une conception pour améliorer sa surface globale sans coûter cher en termes de matériaux car ils s’étendent sur des nœuds avec beaucoup d’espace ouvert entre les deux.

En ajustant l’épaisseur et la position des nœuds, des poutres ou des entretoises, les concepteurs peuvent intégrer certaines fonctionnalités nouvelles liées à la façon dont le composant interagit avec les forces et le son. L’utilisation de treillis donne aux concepteurs beaucoup plus de contrôle sur l’absorption des chocs, le contrôle des chocs et l’amortissement des vibrations / du bruit. De même, les concepteurs peuvent réduire la contrainte d’impact ou utiliser des éléments qui agissent comme des caractéristiques sacrificielles qui protègent les composants critiques de l’objet.

Considérations sur la conception

Il y a beaucoup de petits détails qui décident du bon fonctionnement d’une structure en treillis et de ses caractéristiques. En voici quelques-uns:

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Structure et taille des cellules

Il existe une vaste gamme de structures cellulaires, qui sont des éléments constitutifs individuels dans un réseau. Chaque cellule représente une forme répétable et peut prendre différentes formes et tailles. Habituellement, les structures cellulaires se présentent sous les formes standard telles que les cubes, les étoiles, les hexagones, les diamants, etc. Cependant, de nombreux concepteurs peuvent mélanger et assortir ces formes pour créer des caractéristiques de matériau spécifiques pour un système. Toutes les structures ne sont pas égales, il est donc important de choisir les formes récurrentes et dans quel ordre.

La taille de la cellule et la densité de répétition des formes sont également des facteurs clés. La détermination de la taille de la cellule repose également sur l’ajustement de l’épaisseur et de la longueur de ses membres et des nœuds de connexion. Une densité de répétition élevée signifie simplement qu’il y a plus de formes répétitives dans une unité de surface. Des densités élevées dans une faible superficie se traduiront par des réseaux plus minuscules plus complexes. Les cellules plus grandes sont facilement imprimables mais peuvent être globalement plus rigides. De même, les cellules plus petites permettent des réponses du système plus cohérentes mais sont limitées par la taille des caractéristiques, c’est-à-dire qu’elles ont des réponses plus homogènes mais ont également des limitations liées à la taille.

Sélection des matériaux

Comme pour toutes les tentatives d’impression 3D, votre impression dépend en fin de compte du bon matériau et de la bonne technologie. Ceux-ci influencent également la taille et la densité du treillis, car chaque matériau a sa propre rigidité, son poids et d’autres propriétés de matériau à prendre en compte. Les matériaux élastomères ou souples nécessitent généralement une population cellulaire plus petite et plus dense pour réduire l’affaissement pendant l’impression. Les matériaux plus souples et moins rigides nécessitent également des éléments et des nœuds plus épais. En variante, les treillis imprimés avec un matériau plus rigide permettent généralement une plus grande plage de conception avec des éléments plus minces et des cellules de plus grande taille.

Orientation des cellules

L’angle auquel les cellules sont imprimées peut modifier les propriétés d’une structure en treillis car il influence la quantité et l’emplacement des supports requis. Cependant, l’un des avantages de conception d’un bon treillis est qu’il peut être autoportant et autonome. Certains modèles permettent également une impression plus facile sous d’autres angles. Une grande ferme cubique, par exemple, imprimée directement sur la plate-forme de construction trouvera ses membres horizontaux non pris en charge. Cependant, si la structure est simplement tournée de 45 degrés, les éléments sont maintenant autoportants.

Exemples de conception de fabrication additive

Fabrication de véhicules

Diverses industries manufacturières ont mis à profit la capacité des imprimantes 3D à alléger les structures métalliques. Ceci est particulièrement utile pour l’automobile, l’aérospatiale et l’aviation, où les véhicules doivent être aussi légers que possible pour maintenir la vitesse et le rendement énergétique. Parfois, cela permet aux entreprises de réduire le poids des composants jusqu’à 70%.

L’Université de Nottingham s’est concentrée sur l’impression 3D de structures en treillis métalliques complexes. Ce faisant, ils ont réduit le poids des composants automobiles en diminuant leur densité. Ces nouveaux composants structurels permettraient alors au véhicule de peser moins globalement, devenant ainsi plus économe en carburant.

De même, la Nanyang Venture 8 était une voiture électrique créée par les étudiants et le personnel de l’Université technologique de Nanyang. La voiture comprend plus de 150 pièces imprimées en 3D, y compris le tableau de bord, diverses grilles, des verrous de porte, mais surtout la coque extérieure et le corps se composent d’une structure en nid d’abeille qui améliore sa résistance.

Architecture

Treillis de conception d'architecture

Diverses entreprises du monde entier utilisent des conceptions imprimées en 3D pour toutes sortes d’architecture et d’expositions. Lors de la Milan Design Week en 2019, la marque de mode COS a commandé Conifera, une installation en treillis utilisant des bioplastiques durables. C’était l’une des plus grandes structures imprimées en 3D au monde, en particulier parmi celles constituées de bioplastique. Une partie de cela est la structure en treillis qui lui a permis de capturer une surface beaucoup plus grande, tout en utilisant un minimum de matériaux.

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Des entreprises comme Branch Technology ont également expérimenté des éléments de treillis dans l’architecture. Ils ont inventé un treillis à matrice ouverte imprimé en 3D fabriqué à partir de plastique ABS renforcé de fibre de carbone qui peut servir de noyau d’un système de mur modulaire qui intègre des matériaux de construction courants tels que l’isolation en mousse pulvérisée, le béton appliqué par pulvérisation et le revêtement. Il est également léger et durable.

Tenue de sport

Image gracieuseté de Carbon

Il existe de nombreux exemples de treillis imprimés en 3D dans les vêtements de sport, en particulier les semelles intermédiaires de chaussures. Le travail de New Balance avec la plateforme Triple Cell ou les chaussures Futurecraft 4D de Carbon et Addidas. Les deux projets ont intégré un motif de treillis imprimé en 3D directement dans la structure des chaussures. Le matériau pourrait ainsi obtenir une qualité souple et rebondissante tout en conservant des structures en treillis de haute résistance et solides. Cela rend la conception de la chaussure idéale pour les chaussures de course.

Il est également utilisé pour la fabrication d’équipements sportifs. Unstrung Customs développait à l’origine des poignées de tennis avec des méthodes de fabrication traditionnelles et les remplissait de polyfoam. Aujourd’hui, l’entreprise est passée au SLS et a abandonné le moulage traditionnel. L’équilibre de poids qu’ils ont réalisé est dû à la structure en treillis interne de la poignée imprimée en 3D. L’équilibrage du poids peut être crucial pour les équipements sportifs modernes, donnant à l’impression 3D un avantage sur les méthodes de fabrication traditionnelles. L’impression 3D est très efficace pour créer des structures internes optimisées pour une meilleure aérodynamique, un meilleur équilibre du poids et également pour améliorer la résistance.

De même, les joueurs de football sont connus pour être sujets aux blessures sur le terrain, notamment aux traumatismes crâniens. Carbon a essayé d’atténuer ces blessures en imprimant des doublures de casque pour les casques intelligents de Riddell. Ils l’ont fabriqué en utilisant leur «technologie Diamond», créant des coussinets de conception de treillis en résine, adaptés aux dimensions et à la position du joueur.

Recherche et ingénierie

Structures lattiques imprimées en 3D UConn

Comme mentionné précédemment, les treillis ont été utilisés à des fins d’ingénierie, les batteries les plus notables. Les structures en treillis fournissent des canaux pour un transport efficace de l’électrolyte à l’intérieur du volume de matériau, tandis que pour l’électrode cubique, la majeure partie du matériau ne sera pas exposée à l’électrolyte.

Dans les batteries normales, 30 à 50% du volume total de l’électrode sont inutilisés. Notre méthode surmonte ce problème en utilisant l’impression 3D où nous créons une architecture d’électrode microléseau qui permet le transport efficace du lithium à travers toute l’électrode, ce qui augmente également les taux de charge de la batterie. Rahul Panat, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université Carnegie Mellon.

La recherche sur les matériaux et les possibilités de caractéristiques de l’impression 3D a été une avancée majeure pour les universités. Parmi ceux-ci, il y a eu des percées dans la rigidité et la puissance des géométries internes.

Les équipes de recherche de l’ETH Zurich et du MIT ont développé et fabriqué des architectures de matériaux qui sont également solides dans les trois dimensions et qui sont simultanément extrêmement rigides. Ils ont pu montrer qu’il est possible de déterminer mathématiquement en théorie à quel point les matériaux rigides avec des vides internes peuvent devenir. Une caractéristique de la conception est que la rigidité à l’intérieur du matériau est obtenue par des plaques-treillis plutôt que par des fermes.

L’ETH Zurich a également pu formuler la structure interne la plus rigide possible autorisée par les lois physiques. En utilisant des réseaux complexes de fermes, de ceintures et d’arcs, les chercheurs ont non seulement maximisé la rigidité, mais ont également réalisé cette impression haute résistance en utilisant du plastique. L’impression qu’ils ont conçue mesure également exactement de la même manière dans les 3 directions.

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