Structures en treillis 3D :principes de conception et comportement mécanique pour la fabrication additive avancée

Publié le 3 mai 2022

Publié initialement sur fastradius.com le 3 mai 2022

Les structures en treillis sont des cadres périodiques qui s’assemblent en géométries tridimensionnelles complexes. Dans la fabrication additive, les treillis conformes offrent une liberté de conception sans précédent, permettant aux ingénieurs de produire des formes auparavant inaccessibles.

Lorsqu'ils sont fabriqués à partir d'élastomères, ces treillis présentent une déformabilité remarquable. En adaptant l'architecture, les concepteurs peuvent affiner la rigidité, le comportement au flambage et l'absorption d'énergie pour répondre aux demandes d'un large éventail d'industries.

La création de treillis 3D conformes nécessite à la fois une expertise en fabrication et des outils de conception avancés. Chez SyBridge, nous avons conçu et validé une bibliothèque complète de treillis élastomères dans de nombreuses catégories de produits, soutenue par des données de simulation approfondies qui corrèlent la structure aux performances mécaniques.

Le choix de la bonne architecture de treillis repose sur la compréhension de la manière dont chaque variable de conception influence la réponse mécanique de la pièce. Le guide suivant distille les éléments de conception essentiels et présente quatre types de treillis représentatifs de notre catalogue.

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

Les projets de treillis en élastomère évaluent généralement les éléments de base suivants :

• Géométrie : La configuration spatiale des entretoises et des nœuds (y compris la taille, la forme et la topologie globale des cellules unitaires) régit directement les chemins de charge et les modes de déformation.
• Rigidité/Module : Définie pour les petites déformations élastiques, cette métrique indique la force requise pour obtenir une déformation donnée et est essentielle pour les applications porteuses.
• Réponse au flambement : La propension des éléments de treillis à se déformer sous des charges de compression détermine si la structure se comporte élastiquement, présente un plateau de contraintes ou s'effondre progressivement.
• Dissipation d'énergie : La capacité d'absorber et de dissiper l'énergie mécanique pendant les cycles de chargement et de déchargement rend certains treillis idéaux pour l'atténuation des chocs ou l'isolation des vibrations.

Exemples de types de structures en treillis imprimées en 3D

Treillis cubique simple

Ce treillis comporte une cellule unitaire de 7,5 mm et une largeur de ferme de 2 mm, ce qui donne un module de 0,72 MPa.

Réponse de flambement : Présente une nette instabilité de flambage ; après une déformation d'environ 0,05, la contrainte se stabilise à 25 kPa et une déformation supplémentaire n'augmente pas le module.

Dissipation d'énergie : Le comportement de flambage inélastique produit une boucle d'hystérésis, ce qui le rend adapté aux applications nécessitant une absorption des chocs.

Applications : Idéal pour les équipements de protection individuelle et comme couche sacrificielle protégeant les composants sensibles, ce treillis peut également combler les espaces entre les composants des assemblages.

Treillis cellulaire Kelvin

Taille de cellule unitaire de 10 mm, largeur de treillis 2 mm, module 0,44 MPa.

Réponse de flambement : Il lui manque un plateau distinct ; les poutres s'allongent élastiquement jusqu'au compactage complet, offrant une courbe de compression douce.

Dissipation d'énergie : Stocke l'énergie de manière élastique et reprend rapidement sa forme originale, se comportant comme un ressort résilient.

Applications : Convient comme substitut de mousse dans les produits à compression statique tels que les coussins de siège et les coussins de corps, et sa géométrie hexagonale offre un attrait esthétique pour les designs centrés sur la mode.

Treillis centré sur le corps

Taille de cellule unitaire 10 mm, largeur de treillis 2 mm, module 0,07 MPa.

Réponse de flambement : Démontre un comportement d'étirement progressif avec une force croissante par déplacement jusqu'au compactage complet ; aucun plateau de stress n'est observé.

Dissipation d'énergie : Semblable à l'unité Kelvin, elle se comporte comme un ressort et reprend sa forme après chargement.

Applications : La réponse élastique et à forte contrainte la rend idéale pour le remplacement de la mousse à compression statique, tandis que les entretoises inclinées offrent des performances mécaniques uniformes.

Treillis cubique centré sur le corps (BCC)

Cette structure hybride combine des topologies cubiques simples et centrées sur le corps, avec une cellule unitaire de 7,5 mm et une largeur de ferme de 1 mm. Le module résultant est de 0,23 MPa, soit plus élevé que les réseaux cubiques simples et centrés sur le corps seuls.

Réponse de flambement : Le réseau BCC hérite du flambement du composant cubique simple, montrant un plateau à 0,12 MPa, mais son comportement post-flambage est plus stable.

Dissipation d'énergie : En mélangeant les modes d'élasticité et de flambage, le réseau BCC permet un réglage précis du stockage et de la libération d'énergie pour des cas d'utilisation spécifiques.

Applications : Idéal pour les produits qui nécessitent une combinaison sur mesure de résilience élastique et de dissipation d'énergie contrôlée, offrant une réponse plus prévisible que les treillis de flambement purs.

Rendre de nouvelles choses possibles avec SyBridge

Les quatre treillis mis en évidence ci-dessus ne font qu’effleurer la surface de ce que la conception de treillis élastomères 3D peut réaliser. Si vous êtes prêt à vous lancer dans un projet d'impression 3D, contactez-nous dès aujourd'hui et rendez votre prochain projet possible.