Comprendre les treillis imprimés en 3D :propriétés, performances et considérations de conception

Les processus de fabrication additive (FA) permettent aux ingénieurs de libérer les capacités des structures en treillis pour améliorer les performances de leurs produits. Les treillis sont des micro-architectures à deux ou trois dimensions composées d'un réseau de nœuds et de poutres, ou entretoises, qui réduisent considérablement le poids et conservent l'intégrité structurelle.

Il existe une myriade de types de réseaux disponibles

Il existe une myriade de types de treillis disponibles qui ont des caractéristiques uniques (modes de déformation, efficacité des matériaux, etc.) et esthétiques. Beaucoup de ces structures en treillis sont inspirées de structures cristallines naturelles. Et en raison de leurs caractéristiques intrinsèquement petites, les treillis sont difficiles, voire impossibles, à créer avec les méthodes de fabrication traditionnelles.

L'incorporation de structures en treillis permet aux ingénieurs d'explorer davantage l'espace de conception en repensant les performances souhaitées de leur pièce.

Grâce aux techniques de treillis, la masse globale de la pièce peut être réduite de 90 % ou plus en ajustant avec précision les paramètres de treillis aux charges physiques sur la pièce.

Avantages mécaniques

Les avantages des treillis sont bien connus depuis le temps. Si vous regardez d'assez près, vous voyez des treillis dans la nature (tels que l'os, la cristallographie des métaux, etc.) ainsi que l'architecture moderne. Prenons l'exemple de la tour Eiffel :la structure métallique de la tour supporte efficacement son poids lorsqu'elle s'élève dans le ciel. Semblable à un simple treillis, cette structure autoportante est en volume, majoritairement de l'air. Le rapport résistance/poids élevé possible avec les treillis a permis cette formidable réalisation architecturale.

De même, dans la conception de produits, les avantages mécaniques des treillis (par exemple, une surface élevée, une excellente absorption des chocs, une protection contre les chocs) permettent aux concepteurs de produits de défier les contraintes de la fabrication traditionnelle pour créer de nouveaux produits, souvent plus performants.

Bon rapport résistance/poids

Il existe généralement deux voies pour améliorer le rapport résistance/poids d'une pièce donnée. Grâce à la fabrication traditionnelle, il est accompli en réduisant les matériaux dans les zones non critiques pour optimiser l'utilisation des matériaux. Grâce au treillis, vous êtes en mesure d'enlever de la matière dans les zones critiques de la pièce. Bien que le treillis réduise la résistance globale de la pièce, les économies de poids peuvent améliorer ce rapport résistance/poids.

Grande surface

Les treillis ne sont pas seulement légers, ils libèrent également une grande surface, un avantage clé pour les produits qui facilitent les échanges thermiques et les réactions chimiques.

Considérez les échangeurs de chaleur utilisés dans les ordinateurs des serveurs et des centres de données. Généralement, les performances du processeur sont limitées par la quantité de chaleur produite. Le but est d'évacuer la chaleur de la puce et de l'expulser dans l'atmosphère, généralement aidé par un ventilateur. L'efficacité globale de ce système est liée à la quantité de surface sur le dissipateur thermique (la pièce de métal qui évacue la chaleur de la puce). Les treillis peuvent augmenter considérablement la quantité de surface disponible ou, alternativement, produire cette quantité de surface de manière plus abordable en évitant les procédures d'outillage complexes. En fait, ce gain d'efficacité peut être réalisé sur de nombreux types d'applications d'échangeurs de chaleur, où de petites caractéristiques avec de grandes surfaces sont difficiles ou presque impossibles à créer sans fabrication additive.

Excellente absorption des chocs et protection contre les chocs

Les treillis peuvent également aider à protéger les produits contre les chutes ou les collisions en absorbant mieux l'énergie d'impact. Les treillis peuvent soit être intégrés dans un produit - tel qu'un casque de football - pour réduire le stress d'impact, soit être utilisés comme élément sacrificiel pour protéger les composants critiques d'un produit. Un treillis pourrait, par exemple, être utilisé autour ou à l'intérieur de composants électroniques pour le protéger d'un événement dynamique, comme une chute accidentelle trop courante.

Amortissement souhaitable des vibrations et du bruit

Les treillis fabriqués de manière additive offrent également aux ingénieurs un nouveau moyen d'éliminer les bruits mécaniques, tels que les vibrations, qui peuvent être inconfortables pour les utilisateurs et même dégrader les performances de la machine.

Les treillis sont efficaces pour amortir les vibrations en raison de leurs faibles rigidités et de leur capacité à supporter et à récupérer des contraintes importantes. Les treillis pourraient, par exemple, être intégrés dans un tampon isolant sur un équipement lourd afin de réduire la quantité d'énergie entrant dans le système de fabrication. La nature ajustable des treillis permet aux ingénieurs d'affiner les conceptions en fonction de leur application particulière.

Libérez le potentiel des réseaux en adhérant aux principes DFAM

Il est vrai que la fabrication additive peut ouvrir de nombreuses opportunités de nouveaux produits, mais il y a des facteurs de conception que vous devez reconnaître avant d'imprimer un treillis fonctionnel. C'est là qu'intervient la conception pour la fabrication additive (DFAM). DFAM aide les ingénieurs concepteurs à s'assurer que leurs pièces imprimées correspondent à l'intention de conception.

Certaines considérations importantes du DFAM incluent la structure cellulaire du réseau, la taille et la densité des cellules, la sélection des matériaux et l'orientation des cellules.

• Structure cellulaire
  Il existe une vaste gamme de structures cellulaires, qui sont l'unité répétée dans un réseau. La liste des structures cellulaires est très longue et ne cesse de s'allonger. Les structures cellulaires les plus courantes incluent le cube, l'étoile, l'octet, l'hexagone, le diamant et le tétraèdre, pour n'en nommer que quelques-unes. Les structures cellulaires peuvent être ajustées et même mélangées pour obtenir la réponse souhaitée pour votre système, mais votre sélection a des implications. Certaines structures sont plus efficaces (rapports rigidité/poids plus élevés), d'autres amortissent mieux l'énergie, et certaines sont un peu plus esthétiques. Les points forts et les avantages doivent être pesés les uns par rapport aux autres pour faire le bon choix pour votre pièce.
• Taille et densité des cellules
  La taille et la densité des cellules font référence à la taille d'une cellule unitaire individuelle et au nombre de cellules répétées dans un espace. La taille de la cellule elle-même dépend de l'épaisseur et de la longueur de ses membres et des nœuds de connexion. Les cellules plus grandes peuvent être plus faciles à imprimer mais peuvent également être plus rigides; de même, des cellules plus petites permettent des réponses système plus homogènes, mais sont limitées par la taille des fonctionnalités.

• Sélection des matériaux
  Votre matériau choisi peut définir quelles propriétés de réseau sont possibles. Les matériaux élastomères ou souples nécessitent généralement une population de cellules plus petite et plus dense pour réduire l'affaissement pendant l'impression. Alternativement, les treillis imprimés avec un matériau plus rigide permettent généralement une plus grande gamme de conception avec des membres plus minces et des cellules de plus grande taille.
• Orientation des cellules
  L'angle auquel une cellule est imprimée peut affecter le succès d'une impression car il influence la quantité et le placement des supports requis. En général, un treillis bien choisi et orienté est autoportant, ce qui ne nécessite pas de supports séparés. Souvent, une structure peut être tournée pour réduire les supports. Pensez à une grande ferme cubique - si elle est imprimée directement sur la plate-forme de construction, les éléments horizontaux ne seront pas pris en charge. Cependant, si la structure est simplement tournée de 45 degrés, les membres sont désormais autoportants.

Les cellules unitaires répétées d'un réseau ouvrent la porte à d'innombrables tailles, formes et attributs de performance. La nature complexe inhérente des treillis les rend presque impossibles à créer autrement que par la fabrication additive.

Si vous n'avez jamais conçu avec des treillis auparavant, il peut être bon de faire appel à un expert qui peut vous aider à démarrer. Chez Fast Radius, notre équipe est spécialisée dans la maximisation de la valeur totale des additifs, du développement de produits plus performants avec des treillis à l'amélioration de l'efficacité de la chaîne d'approvisionnement grâce à la production à la demande et à l'entreposage virtuel. Pour en savoir plus sur la valeur potentielle des additifs ou pour commencer à concevoir un produit pour les processus de FA, contactez-nous dès aujourd'hui.

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