Conception de structures de treillis 3D : Principes, mécanique et applications

Les structures de treillis sont des motifs répétitifs qui, une fois connectés, forment des formes tridimensionnelles. Dans un contexte de fabrication additive, les structures de treillis conformes ouvrent des possibilités passionnantes de conception de produits alors que les concepteurs exploitent les technologies d'impression 3D pour créer des formes et pièces auparavant « impossibles à fabriquer ». Lorsqu'elles sont faites d'élastomères, les structures de treillis imprimées en 3D sont hautement déformables et leurs propriétés mécaniques permettent de les régler sur une large gamme de réponses, pour une utilisation dans un spectre d'industries.

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

Si vous cherchez le bon type de structure de treillis 3D pour votre projet de fabrication, il est vital de comprendre comment 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 rassemblé un court guide des éléments clés de conception de treillis 3D — ainsi que quatre exemples de structures de treillis conformes sélectionnés de notre bibliothèque.

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

Les projets de structure de treillis 3D en élastomère considèrent couramment certains ou tous les quatre éléments de conception suivants :

• Géométrie : La géométrie d'un treillis fait référence à la taille et la forme physiques de ses composants — et comment leur motif est réparti dans la structure d'une pièce. Là où elles sont répétées, les unités simples dans la structure d'un treillis sont collectivement connues sous le nom de cellules unitaires — référençant la façon dont une structure de 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 requise pour déformer sa structure. Le module est généralement défini pour de petites déformations quand la réponse du treillis est pleinement élastique.
• Réponse au flambage : La réponse au flambage décrit la façon dont une structure de treillis cède, et dépend de l'instabilité structurelle des éléments de treillis lors de leur déformation. Toutes les structures de treillis n'exhibent pas de flambage — et le flambage n'est pas toujours une caractéristique souhaitable.
• Dissipation d'énergie : La dissipation d'énergie d'une structure de treillis fait référence à sa capacité à absorber l'énergie pendant qu'elle est déformée.

Types d'exemples de structures de treillis imprimées en 3D

Structure de treillis 3D cubique simple

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

Réponse au flambage : Cette structure de treillis cubique simple exhibe une instabilité de flambage. Après une déformation d'environ 0,05, le module est constant à un plateau de contrainte de 25 kPa. Une déformation additionnelle n'augmente pas le module.

Dissipation d'énergie : Le treillis cubique simple a un comportement de flambage inélastique qui produit une réponse différente lors du chargement et du déchargement. Le comportement inélastique peut être utilisé à de nombreuses fins, y compris la dissipation d'énergie.

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

Structure de treillis 3D cellule de Kelvin

Cette cellule de Kelvin a une taille de cellule unitaire de 10 mm et une largeur de poutre de 2 mm. Le module est de 0,44 MPa.

Réponse au flambage : Contrairement au treillis cubique simple, la structure de treillis cellule de Kelvin a un point de flambage bas, signifiant que ses poutres s'étirent en réponse à la force. La cellule de Kelvin n'a pas de plateau et se comprime continuellement avec une rigidité élastique simple jusqu'à compaction complète.

Dissipation d'énergie : Le treillis cellule de Kelvin stocke l'énergie avec sa déformation élastique, et revient à sa forme originale rapidement, comme un ressort, quand la force est retirée.

Applications : Le treillis cellule de Kelvin est un bon candidat pour le remplacement de mousse dans les produits sous compression statique comme les coussins de siège ou protections corporelles. Avec ses cellules hexagonales complexes, le treillis cellule de Kelvin est visuellement saisissant, en faisant une option pour applications esthétiques et de mode.

Structure de treillis 3D centré sur le corps

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

Réponse au flambage : La structure de treillis centré sur le corps a une réponse d'étirement, signifiant qu'elle répond avec une force croissante par déplacement unitaire jusqu'à compaction complète. Son module est bien plus bas comparé au treillis cubique simple, et il n'a pas de contrainte de plateau.

Dissipation d'énergie : Comme l'unité Kelvin, le treillis centré sur le corps stocke l'énergie avec sa déformation élastique et revient à sa forme originale comme un ressort quand la force est retirée.

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

Structure de treillis 3D cubique centré sur le corps (BCC)

Le treillis cubique centré sur le corps (BCC) combine le treillis centré sur le corps et le treillis cubique simple en une seule structure. Ce treillis a une taille de cellule unitaire de 7,5 mm, et une largeur de poutre de 1 mm. Le module est de 0,23 MPa — plus élevé que les treillis cubique simple et centré sur le corps listés ci-dessus.

Réponse au flambage : Puisque le treillis BCC combine deux types de treillis 3D imprimés, sa réponse est une combinaison des deux. Ce treillis flambage comme le treillis cubique simple avec une contrainte de plateau (0,12 MPa) mais a un comportement post-flambage plus stable.

Dissipation d'énergie : Parce que le treillis BCC combine une réponse élastique et une réponse de flambage, il est possible d'ajuster le stockage et la dissipation d'énergie pour servir des applications spécifiques.

Applications : Le treillis BCC est particulièrement utile pour les applications qui bénéficient d'une réponse élastique et de flambage sur mesure. Il fonctionne aussi bien quand un produit nécessite une dissipation d'énergie avec une réponse plus stable que le flambage pur vu dans le treillis cubique simple.

Rendre de nouvelles choses possibles avec Fast Radius

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

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