Structures en treillis 3D :éléments de conception et réponses mécaniques

Les structures en treillis sont des motifs répétitifs qui, lorsqu'ils sont connectés, forment des formes tridimensionnelles. Dans un contexte de fabrication additive, les structures en treillis conformes ouvrent des possibilités de conception de produits passionnantes, car les concepteurs exploitent les technologies d'impression 3D pour créer des formes et des pièces auparavant « infaisables ». Lorsqu'elles sont fabriquées à partir d'élastomères, les structures en treillis imprimées en 3D sont hautement déformables et leurs propriétés mécaniques leur permettent d'être ajustées sur une large gamme de réponses et utilisées dans un éventail d'industries.

Cependant, la conception de structures en treillis 3D conformes nécessite une expertise en fabrication, sans parler des bons outils logiciels. Chez Fast Radius, nous avons conçu et testé des structures en treillis imprimées en 3D pour une vaste gamme de produits et d'applications différents. Nous avons utilisé la simulation informatique pour créer une grande bibliothèque de données, classant différentes structures de treillis et leurs propriétés mécaniques.

Si vous recherchez le bon type de structure en treillis 3D pour votre projet de fabrication, il est essentiel que vous compreniez comment les différents éléments de conception affecteront les réponses mécaniques de votre pièce finie. Dans cet esprit, pour vous aider à explorer le potentiel de fabrication additive de votre projet, nous avons élaboré un petit guide des principaux éléments de conception de treillis 3D, ainsi que quatre exemples de structures de treillis conformes sélectionnées dans notre bibliothèque.

Éléments de conception clés pour les structures en treillis 3D en élastomère

Les projets de structure en treillis 3D en élastomère prennent généralement en compte certains ou tous les quatre éléments de conception suivants :

• Géométrie : La géométrie d'un treillis fait référence à la taille physique et à la forme de ses composants - et à la manière dont leur motif est disposé dans la structure d'une pièce. Lorsqu'elles sont répétées, les unités individuelles au sein de la structure d'un treillis sont appelées collectivement cellules unitaires, faisant référence à la façon dont une structure en treillis s'inspire des structures cellulaires et cristallines observées dans la nature.
• Rigidité/module : La rigidité, ou module, du treillis fait référence à la force nécessaire pour déformer sa structure. Le module est généralement défini pour les petites déformations lorsque la réponse du réseau est entièrement élastique.
• Réponse de flambement : La réponse de flambement décrit la façon dont une structure en treillis cède et dépend de l'instabilité structurelle des éléments du treillis lorsqu'ils se déforment. Toutes les structures en treillis ne présentent pas de flambage - et le flambage n'est pas toujours une caractéristique souhaitable.
• Dissipation d'énergie : La dissipation d'énergie d'une structure en treillis fait référence à sa capacité à absorber de l'énergie pendant sa déformation.

Exemples de types de structure en treillis imprimée en 3D

Structure de réseau 3D cubique simple

Ce réseau cubique simple a une taille de cellule unitaire de 7,5 mm et une largeur de ferme de 2 mm. Le module est de 0,72 MPa.

Réponse de flambement : Cette structure du réseau cubique simple présente une instabilité de flambement. Après une déformation d'environ 0,05, le module est constant à un plateau de contrainte de 25 kPa. Une déformation supplémentaire n'augmente pas le module.

Dissipation d'énergie : Le réseau cubique simple a un comportement de flambement inélastique qui produit une réponse différente lorsqu'il est chargé et déchargé. Le comportement inélastique peut être utilisé à de nombreuses fins, y compris la dissipation d'énergie.

Candidatures : La réponse de flambage de ce réseau cubique simple produit un seuil de force qui en fait un bon candidat pour les applications de protection personnelle et pour le blindage des composants sensibles. Ce type de treillis est également efficace pour combler les espaces entre les composants dans les assemblages.

Structure de réseau 3D à cellules de Kelvin

Ce réseau de cellules Kelvin a une taille de cellule unitaire de 10 mm et une largeur de ferme de 2 mm. Le module est de 0,44 MPa.

Réponse de flambement : Contrairement au réseau cubique simple, la structure du réseau de cellules Kelvin a un point de flambage bas, ce qui signifie que ses faisceaux s'étirent en réponse à la force. Le réseau de cellules de Kelvin n'a pas de plateau et se comprime continuellement avec une simple raideur élastique jusqu'à ce qu'il soit complètement compacté.

Dissipation d'énergie : Le réseau de cellules Kelvin stocke l'énergie avec sa déformation élastique, et il reprend rapidement sa forme d'origine, comme un ressort, lorsque la force est supprimée.

Candidatures : Le réseau de cellules Kelvin est un bon candidat pour le remplacement de la mousse dans les produits sous compression statique tels que les coussins de siège ou les coussins corporels. Avec ses cellules hexagonales complexes, le réseau de cellules Kelvin est assez frappant visuellement, ce qui en fait une option pour les applications esthétiques et de mode.

Structure en treillis 3D centrée sur le corps

Ce réseau centré sur le corps a une taille de cellule unitaire de 10 mm et une largeur de ferme de 2 mm. Le module est de 0,07 MPa.

Réponse de flambement : La structure en treillis centrée sur le corps a une réponse d'étirement, ce qui signifie qu'elle répond avec une force croissante par unité de déplacement jusqu'à ce qu'elle soit complètement compactée. Son module est bien inférieur à celui du réseau cubique simple et il n'a pas de contrainte de plateau.

Dissipation d'énergie : Comme l'unité Kelvin, le réseau centré sur le corps stocke l'énergie avec sa déformation élastique et reprend sa forme d'origine un peu comme un ressort lorsque la force est supprimée.

Candidatures : Avec sa réponse élastique à haute contrainte, le treillis centré sur le corps est un bon candidat pour le remplacement de la mousse dans les produits sous compression statique. Les entretoises inclinées pointant vers le centre de la cellule rendent sa réponse uniforme et cohérente.

Structure de réseau 3D cubique centrée sur le corps (BCC)

Le treillis cubique centré sur le corps (BCC) combine le treillis centré sur le corps et le treillis cubique simple dans une structure unique. Ce réseau a une taille de cellule unitaire de 7,5 mm et une largeur de ferme de 1 mm. Le module est de 0,23 MPa, ce qui est supérieur aux réseaux cubiques simples et cubiques centrés sur le corps répertoriés ci-dessus.

Réponse de flambement : Étant donné que le réseau BCC combine deux types de réseaux imprimés en 3D, sa réponse est une combinaison des deux. Ce réseau flambe comme le réseau cubique simple avec une contrainte de plateau (0,12 MPa) mais a un comportement post-flambement plus stable.

Dissipation d'énergie : Étant donné que le réseau BCC combine à la fois une réponse élastique et une réponse de flambage, il est possible d'ajuster le stockage et la dissipation d'énergie pour répondre à des applications spécifiques.

Candidatures : Le réseau BCC est particulièrement utile pour les applications qui bénéficient d'une réponse élastique et de flambage adaptée. Cela fonctionne également bien lorsqu'un produit nécessite une dissipation d'énergie avec une réponse plus stable que le flambage pur observé dans le réseau cubique simple.

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Les quatre structures mises en évidence ci-dessus ne font qu'effleurer la surface de ce qui est possible avec une conception de structure en treillis 3D élastomère. Pour en savoir plus, explorez nos études de cas et découvrez comment des entreprises comme Rawlings et Steelcase ont créé de nouveaux produits innovants à l'aide de structures en treillis imprimées en 3D. Si vous êtes prêt à démarrer votre propre projet d'impression 3D, contactez-nous dès aujourd'hui et rendez votre prochain projet possible.

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