Maîtriser les structures en treillis imprimées en 3D : conception, propriétés et performance

Les procédés de fabrication additive (FA) permettent aux ingénieurs de débloquer les capacités des structures en treillis pour améliorer la performance de leurs produits. Les treillis sont des micro-architectures bidimensionnelles ou tridimensionnelles composées d'un réseau de nœuds et de poutres, ou montants, qui réduisent considérablement le poids tout en conservant l'intégrité structurelle.

Une myriade de types de treillis disponibles

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

L'incorporation de structures de treillis permet aux ingénieurs d'explorer davantage l'espace de conception en repensant la performance souhaitée de leur pièce.

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

Avantages mécaniques

Les avantages des treillis sont connus depuis longtemps. Si vous regardez de assez près, vous voyez des treillis dans la nature (comme les os, la cristallographie des métaux, etc.) ainsi que dans l'architecture moderne. Prenez l'exemple de la Tour Eiffel : la structure métallique de la tour soutient efficacement son poids alors qu'elle s'élève vers le ciel. Similaire à un treillis simple, cette structure autoportante est, en volume, principalement de l'air. Le rapport résistance/poids élevé possible avec les treillis a permis cette prouesse architecturale extraordinaire.

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

Bon rapport résistance/poids

Il y a généralement deux voies pour améliorer le rapport résistance/poids d'une pièce donnée. Par la fabrication traditionnelle, cela s'accomplit en réduisant le matériau dans les zones non critiques pour optimiser l'utilisation du matériau. Par le treillis, vous pouvez enlever du matériau dans les zones critiques de la pièce. Bien que le treillis réduise la résistance globale de la pièce, l'économie de poids peut améliorer ce rapport résistance/poids.

Grande surface

Les treillis ne sont pas seulement légers, ils débloquent une grande quantité de surface — un avantage clé pour les produits qui facilitent les échanges de chaleur et les réactions chimiques.

Considérez les échangeurs de chaleur utilisés dans les ordinateurs, serveurs et centres de données. Typiquement, la performance du processeur est limitée par la quantité de chaleur produite. L'objectif 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 éloigne la chaleur de la puce). Les treillis peuvent augmenter considérablement la quantité de surface disponible ou, alternativement, produire cette quantité de surface plus abordable en évitant des 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 quasi impossibles à créer sans fabrication additive.

Excellente absorption des chocs et protection contre les impacts

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

Amortissement des vibrations et du bruit souhaitable

Les treillis fabriqués par fabrication additive donnent également aux ingénieurs une nouvelle façon d'éliminer le bruit mécanique — comme les vibrations — qui peut être inconfortable pour les utilisateurs et même dégrader la performance des machines.

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

Débloquer le potentiel des treillis en adhérant aux principes DFAM

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

Quelques considérations DFAM importantes incluent la structure de cellule du treillis, la taille et la densité des cellules, la sélection du matériau et l'orientation des cellules.

• Structure de cellule
  Il existe une vaste gamme de structures de cellules, qui sont l'unité répétée dans un treillis. La liste des structures de cellules est très longue et en constante croissance. Les structures de cellules les plus courantes incluent cubique, étoile, octaèdre, hexagonale, diamant et tétraèdre, pour n'en nommer que quelques-unes. Les structures de cellules 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 forces et avantages doivent être pesés les uns contre les 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 nœuds de connexion. Des cellules plus grandes peuvent être plus faciles à imprimer mais peuvent aussi agir plus rigides ; de même, des cellules plus petites permettent des réponses de système plus homogènes mais sont limitées par les tailles de caractéristiques.

• Sélection du matériau
  Votre matériau choisi peut définir quelles propriétés de treillis 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 fins et des tailles de cellules plus grandes.
• 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 treille cubique — si elle est imprimée directement sur la plateforme de construction, les membres horizontaux ne seront pas supportés. Cependant, si la structure est simplement tournée de 45 degrés, les membres deviennent maintenant autoportants.

Les cellules unitaires répétées d'un treillis ouvrent la porte à d'innombrables tailles, formes et attributs de performance. La nature complexe inhérente des treillis les rend quasi impossibles à créer autrement que par 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 se spécialise dans la maximisation de la valeur totale de l'additif, du développement de produits plus performants avec des treillis à l'efficacité de la chaîne d'approvisionnement grâce à la production à la demande et au stockage virtuel. Pour en savoir plus sur la valeur potentielle de l'additif — ou pour commencer à concevoir un produit pour les procédés FA — contactez-nous dès aujourd'hui.

Prêt à fabriquer vos pièces avec Fast Radius ?

Demandez votre devis