Améliorer les pièces avec des structures en treillis imprimées en 3D

Les structures en treillis imprimées en 3D sont l'un des plus grands arguments de vente de la fabrication additive. Elles sont faciles à fabriquer grâce au processus unique de l'impression 3D, et offrent de nombreux avantages pratiques.

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

Important : les structures en treillis peuvent être fabriquées sur n'importe quelle imprimante 3D professionnelle. Et plus important encore, ces structures ne peuvent pas être produites adéquatement avec aucune autre technologie de fabrication. Les technologies soustractives ne peuvent pas couper l'intérieur d'une pièce sans couper l'extérieur, tandis que les moules se « remplissent » simplement de matériau liquide — on ne peut pas choisir comment ce matériau liquide se met en place comme avec une imprimante 3D.

Cet article examine comment les structures en treillis imprimées en 3D sont faites, et pourquoi elles deviennent si utiles dans des domaines comme l'aérospatiale.

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

On voit des structures en treillis partout dans les ponts et maisons à colombages. La tour Eiffel est peut-être l'exemple le plus célèbre au monde de structure en treillis ou treillis, avec ses poutres entrecroisées 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 le cadre du treillis manuellement : plusieurs outils de génération de treillis existent qui génèrent automatiquement des motifs basés sur des paramètres choisis par l'utilisateur. Les outils commerciaux incluent nTopology, Autodesk Within et Meshify.

Mais tous les treillis ne se valent pas. En fait, les structures en treillis varient à bien des égards, avec les variations clés décrites ci-dessous.

Structure de cellule

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

Finalement, la structure de la cellule — sa forme et sa taille — affecte le comportement de la pièce en termes de résistance, poids, élasticité et 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 dans un treillis peuvent être orientées différemment, ce qui affecte aussi la performance finale de la pièce. L'orientation doit aussi être déterminée par les contraintes d'impression : certaines orientations nécessiteront plus de structures de support, par exemple.

Matériau du treillis

Tous les matériaux ne peuvent pas imprimer toutes les structures en treillis. Les matériaux mous et élastiques ne devraient généralement pas être imprimés avec de grandes structures cellulaires, car les larges sections poreuses peuvent faire s'affaisser la pièce. Dans la plupart des cas, le matériau du treillis sera le même que celui de l'enveloppe externe, mais les imprimantes multi-extrudeurs offrent une certaine flexibilité à ce niveau.

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 obtenir des bénéfices comme la réduction de poids, l'amélioration de la résistance et l'absorption des chocs.

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

Moins de matériau global signifie moins de masse, un énorme avantage pour les utilisateurs de l'AM dans des industries comme l'automobile et l'aérospatiale, où grappiller quelques grammes peut faire une énorme différence dans la performance des pièces. En fait, certaines des recherches les plus excitantes sur les treillis ont lieu dans l'aérospatiale, où des entreprises comme Boeing ont développé des matériaux de treillis avancés ultra-légers.

Moins de matériau signifie aussi moins de dépenses. En créant des pièces avec des structures en treillis, les ingénieurs peuvent créer des pièces supérieures qui coûtent en fait moins cher que des pièces inférieures.

Mais tout l'intérêt des structures en treillis est de réduire la masse sans compromettre l'intégrité de la pièce. Percer des trous arbitraires dans une pièce pourrait la rendre plus fragile et plus susceptible de casser, mais les structures en treillis imprimées en 3D sont conçues pour utiliser le matériau de la manière structurellement la plus efficace possible, assurant que les sections creuses ne sont pas des vulnérabilités, mais des forces en elles-mêmes.

Des pièces partiellement creuses avec structures en treillis peuvent en fait être plus résistantes que leurs équivalents pleins, car les espaces vides dans un treillis améliorent l'absorption des chocs et réduisent les contraintes d'impact. Les pièces avec des structures en treillis à grandes cellules peuvent être très flexibles et élastiques, réduisant la fragilité et le risque de rupture.

Moins important mais notable : l'esthétique des treillis. Ces motifs complexes sont parmi les formes les plus impressionnantes que les ingénieurs peuvent faire avec une imprimante 3D, donc les pièces avec treillis imprimés sont souvent aussi saisissantes visuellement que pratiques.

Résumé des avantages des treillis imprimés en 3D :

• Légères
• Moins de matériau utilisé
• Résistantes
• Absorption des chocs
• Esthétiques

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

En bref, non. Les machines CNC et autres technologies soustractives ne peuvent pas faire de structures en treillis 3D car elles utilisent des outils de coupe pour enlever de la matière d'un bloc solide. Une machine CNC pourrait creuser les sections creuses de la première rangée de cellules, mais l'outil de coupe arriverait alors à une impasse. Il ne peut pas couper la rangée suivante de sections creuses car les sections pleines bloquent le passage.

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

Notez cependant que les machines CNC peuvent efficacement créer des structures en treillis 2D comme des grilles, et ces treillis CNC spécifiques peuvent, en fait, être plus résistants 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 nombreuses industries, les ingénieurs et designers cherchant constamment des moyens d'alléger et renforcer les pièces.

La réduction de poids est particulièrement importante dans les industries aérospatiale et automobile, car les pièces lourdes réduisent généralement la vitesse des véhicules et augmentent la consommation de carburant. Les pièces légères sont donc bien plus désirables.

Puisque les structures en treillis existent en architecture depuis des centaines d'années, il n'est pas surprenant que des versions miniaturisées deviennent populaires dans l'architecture actuelle. Et comme les structures en treillis peuvent être précisément conçues, des chercheurs ont même trouvé des moyens de créer des motifs 3D qui réduisent le bruit, améliorant potentiellement les matériaux isolants pour les bâtiments.

On trouve aussi des treillis imprimés en 3D dans les vêtements et chaussures, avec des entreprises comme Adidas utilisant des treillis en élastomère imprimés en 3D pour les semelles intermédiaires de baskets. Ces treillis offrent un amorti léger avec un rebond énorme — bien mieux et plus justifié scientifiquement que les omniprésentes « bulles d'air » des années 90.

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