Comment les structures en treillis imprimées en 3D peuvent améliorer les pièces

Les structures en treillis imprimées en 3D sont l'un des principaux arguments de vente de la fabrication additive. Ils sont faciles à fabriquer à l'aide du processus unique d'impression 3D, et leur utilisation présente de nombreux avantages pratiques.

Les structures en treillis sont essentiellement des motifs de remplissage - des moyens de structurer la géométrie interne d'une pièce imprimée en 3D. Au lieu d'imprimer en 3D un bloc solide de plastique ou de métal, les ingénieurs peuvent utiliser des motifs superposés et imbriqués partiellement creux. Lorsque ces treillis sont bien conçus, ils peuvent grandement améliorer les propriétés mécaniques d'une pièce, la rendant plus légère et plus résistante.

Il est important de noter que les structures en treillis peuvent être fabriquées sur n'importe quelle imprimante 3D de qualité professionnelle. Et plus important encore, ces structures ne peuvent être produites de manière adéquate à l'aide d'aucune autre technologie de fabrication. Les technologies soustractives ne peuvent pas couper l'intérieur d'une pièce sans couper à travers l'extérieur, tandis que les moules sont simplement "remplis" de matériau liquide - vous ne pouvez pas choisir comment ce matériau liquide se met en place comme vous le pouvez avec une imprimante 3D.

Cet article explique comment les structures en treillis imprimées en 3D sont fabriquées et pourquoi elles deviennent si utiles dans des endroits comme l'industrie aérospatiale.

Comment fabrique-t-on un treillis imprimé en 3D ?

Les structures en treillis peuvent être vues partout dans des endroits comme les ponts et les maisons en bois. La tour Eiffel est peut-être l'exemple le plus célèbre au monde d'une structure en treillis ou en treillis, avec ses poutres qui se chevauchent formant une structure stable mais largement creuse.

Il est possible de reproduire une telle structure dans une pièce imprimée en 3D. Et il n'est généralement pas nécessaire de concevoir manuellement le cadre de treillis :plusieurs outils de génération de treillis existent qui génèrent automatiquement des motifs de treillis en fonction de paramètres choisis par l'utilisateur. Les outils disponibles dans le commerce incluent la topologie, Autodesk Within et Meshify.

Mais tous les réseaux ne sont pas identiques. En fait, les structures en treillis varient de plusieurs manières, avec les principales variations décrites ci-dessous.

Structure cellulaire

Les cellules sont les unités individuelles qui composent une structure en treillis. Ceux-ci sont généralement reconnaissables comme des formes géométriques telles que des cubes, des étoiles, des hexagones, des octogones, etc., bien que plusieurs formes puissent être combinées pour des utilisations mécaniques spécifiques. Parfois, les cellules sont entièrement non uniformes, sans motif perceptible.

En fin de compte, la structure cellulaire - à la fois sa forme et sa taille - affecte le comportement d'une pièce en termes de résistance, de poids, d'élasticité et d'autres facteurs.

Orientation des cellules

Décider de la structure et de la taille de la cellule n'est que la moitié de l'histoire. Les formes d'un treillis peuvent être orientées de différentes manières, ce qui affecte également les performances finales de la pièce. L'orientation doit également être déterminée par des contraintes d'impression :certaines orientations nécessiteront par exemple plus de structures de support.

Matériel en treillis

Tous les matériaux ne sont pas capables d'imprimer toutes les structures en treillis. Les matériaux souples et élastiques ne doivent généralement pas être imprimés avec de grandes structures cellulaires, car les grandes sections poreuses peuvent faire s'affaisser la pièce. Dans la plupart des cas, le matériau en treillis sera le même que la coque ou le matériau externe, mais les imprimantes multi-extrudeuses offrent une certaine flexibilité à cet égard.

Quels sont les avantages d'un treillis imprimé en 3D ?

En incorporant des structures en treillis dans les pièces imprimées en 3D, les ingénieurs peuvent bénéficier d'avantages tels que la réduction de poids, l'amélioration de la résistance des pièces et l'absorption des chocs.

La réduction de poids est peut-être le plus important de ces avantages et la principale raison pour laquelle les ingénieurs tiennent tant à optimiser leurs structures imprimées avec des géométries internes à motifs. Une caractéristique clé des structures en treillis est leur creux partiel :les cellules contiennent un espace vide, donc à part avec un motif en treillis interne, il y a moins de matériau global qu'une pièce équivalente avec un remplissage solide.

Moins de matériau global signifie moins de masse, ce qui est un énorme avantage pour les utilisateurs de FA dans des secteurs comme l'automobile et l'aérospatiale, où la réduction de quelques grammes peut faire une énorme différence dans les performances des pièces. En fait, certaines des recherches les plus passionnantes sur les treillis se déroulent dans l'aérospatiale, où des entreprises comme Boeing ont développé des matériaux de treillis avancés ultra-légers.

Moins de matériel signifie aussi moins de dépenses. En créant des pièces avec des structures en treillis, les ingénieurs peuvent créer des pièces de qualité supérieure qui coûtent en réalité moins cher que les pièces de qualité inférieure.

Mais tout l'intérêt des structures en treillis est de réduire la masse sans compromettre l'intégrité de la pièce. Bien que percer des trous arbitraires dans une pièce puisse la rendre plus fragile et plus susceptible de se casser, les structures en treillis imprimées en 3D sont conçues pour utiliser le matériau de la manière la plus efficace possible sur le plan structurel, garantissant que les sections creuses ne sont pas des vulnérabilités, mais des forces en elles-mêmes. /P>

Les pièces partiellement creuses avec des structures en treillis peuvent en fait être plus solides que leurs équivalents solides, car les espaces vides dans un treillis servent à améliorer l'absorption des chocs et à réduire les contraintes d'impact. Les pièces avec des structures en treillis à grandes cellules peuvent être très flexibles et élastiques, ce qui réduit la fragilité et les risques de rupture.

L'esthétique des treillis est moins importante mais tout de même remarquable. Ces motifs complexes comptent parmi les formes les plus impressionnantes que les ingénieurs peuvent créer avec une imprimante 3D. Ainsi, les pièces comportant des treillis imprimés sont souvent aussi visuellement saisissantes que pratiques.

Résumé des avantages des treillis imprimés en 3D :

• Léger
• Moins d'utilisation de matériaux
• Fort
• Absorbant les chocs
• Esthétique

Les machines CNC peuvent-elles fabriquer des structures en treillis ?

Bref, non. Les machines CNC et autres technologies de fabrication soustractives ne peuvent pas créer de structures en treillis 3D car elles utilisent des outils de coupe pour retirer de la matière d'un bloc solide. Une machine CNC pourrait couper les sections creuses de la première rangée de cellules de réseau, mais l'outil de coupe se retrouverait alors dans une impasse. Il ne peut pas couper la prochaine rangée de sections creuses car les sections pleines gênent.

Une imprimante 3D ne rencontre pas ce problème car elle fabrique des pièces en tranches ou en sections, en les construisant à partir de rien plutôt qu'en les découpant à partir d'un bloc solide. La fabrication additive est donc loin d'être la meilleure technologie de fabrication pour créer des structures en treillis.

Notez, cependant, que les machines CNC peuvent créer efficacement des structures en treillis 2D telles que des grilles, et ces treillis spécifiques usinés CNC peuvent, en fait, être plus solides que les treillis imprimés en 3D.

Quelles sont les applications pratiques des treillis imprimés en 3D ?

Les structures en treillis imprimées en 3D ont déjà des applications dans de nombreux secteurs, car les ingénieurs et les concepteurs de produits de tout le spectre commercial recherchent constamment des moyens d'alléger et de renforcer les pièces.

La réduction du poids est particulièrement importante dans l'aérospatiale et automobile car les pièces lourdes réduisent généralement la vitesse du véhicule et entraînent une plus grande consommation de carburant. Les pièces légères sont donc beaucoup plus souhaitables.

Étant donné que les structures en treillis existent dans l'architecture depuis des centaines d'années, il n'est pas surprenant que les versions miniaturisées des treillis deviennent également populaires dans l'architecture d'aujourd'hui. paysage. Et parce que les structures en treillis peuvent être conçues avec précision, les chercheurs ont même trouvé des moyens de créer des motifs 3D qui réduisent le bruit, améliorant potentiellement les matériaux isolants pour les bâtiments.

Les treillis imprimés en 3D se retrouvent également dans les vêtements etchaussures , avec des entreprises comme Adidas utilisant des treillis en élastomère imprimés en 3D pour les semelles intercalaires des baskets. Ces treillis fournissent un coussin léger avec une énorme quantité de rebond - bien mieux et plus scientifiquement justifiable que les "bulles d'air" omniprésentes des années 1990.

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