Les structures en treillis imprimées en 3D constituent l'un des principaux atouts de la fabrication additive. Faciles à réaliser grâce au procédé unique d' impression 3D , elles offrent de nombreux avantages pratiques.
Les structures en treillis sont essentiellement des motifs de remplissage, permettant de structurer la géométrie interne d'une pièce imprimée en 3D. Au lieu d'imprimer en 3D un bloc plein de plastique ou de métal, les ingénieurs peuvent utiliser des motifs superposés et imbriqués, partiellement creux. Correctement conçus, ces treillis peuvent améliorer considérablement les propriétés mécaniques d'une pièce, la rendant plus légère et plus résistante.
Il est important de noter que les structures en treillis peuvent être fabriquées sur n'importe quelle imprimante 3D professionnelle. Plus important encore, aucune autre technologie de fabrication ne permet d'obtenir un résultat satisfaisant avec ces structures. Les techniques soustractives ne permettent pas d'usiner l'intérieur d'une pièce sans en découper l'extérieur, tandis que les moules sont simplement remplis de matériau liquide ; contrairement à l'impression 3D, il est impossible de contrôler précisément la répartition de ce matériau.
Cet article examine comment sont fabriquées les structures en treillis imprimées en 3D et pourquoi elles deviennent si utiles dans des secteurs comme l'industrie aérospatiale.
Comment fabrique-t-on un treillis imprimé en 3D ?
On retrouve des structures en treillis partout, notamment dans les ponts et les maisons à ossature bois. La tour Eiffel est sans doute l'exemple le plus célèbre au monde de structure en treillis, avec ses poutres imbriquées formant une structure stable mais en grande partie creuse.
Il est possible de reproduire une telle structure dans une pièce imprimée en 3D. De plus, il n'est généralement pas nécessaire de concevoir manuellement la structure en treillis : plusieurs outils de génération de treillis existent et créent automatiquement des motifs en fonction des paramètres choisis par l'utilisateur. Parmi les outils disponibles dans le commerce, on peut citer Topology, Autodesk Within et Meshify.
Mais tous les réseaux ne sont pas identiques. En réalité, les structures de réseau varient de nombreuses façons, les principales variations étant décrites ci-dessous.
Structure cellulaire
Les cellules sont les unités individuelles qui constituent une structure réticulaire. Elles sont généralement reconnaissables à leurs formes géométriques, telles que les cubes, les étoiles, les hexagones, les octogones, etc., bien que plusieurs formes puissent être combinées pour des applications mécaniques spécifiques. Parfois, les cellules sont totalement hétérogènes, sans aucun motif discernable.
En définitive, la structure cellulaire — tant sa forme que sa taille — influence le comportement d'une pièce en termes de résistance, de poids, d'élasticité et d'autres facteurs.
Orientation des cellules
Le choix de la structure et de la taille des cellules ne représente que la moitié du travail. Les formes au sein d'un réseau peuvent être orientées de différentes manières, ce qui influe également sur les performances finales de la pièce. L'orientation doit aussi être déterminée par les contraintes d'impression : certaines orientations nécessiteront par exemple davantage de supports.
Matériau de réseau
Tous les matériaux ne permettent pas d'imprimer toutes les structures en treillis. Les matériaux souples et élastiques sont généralement déconseillés pour l'impression de structures à grandes cellules, car les larges zones poreuses risquent d'entraîner un affaissement de la pièce. Dans la plupart des cas, le matériau du treillis sera identique à celui de la coque ou du revêtement extérieur, mais les imprimantes multi-extrudeuses offrent une certaine flexibilité à cet égard.
Quels sont les avantages d'une structure en treillis imprimée en 3D ?
En intégrant des structures en treillis dans les pièces imprimées en 3D, les ingénieurs peuvent bénéficier d'avantages tels que la réduction du poids, l'amélioration de la résistance des pièces et l'absorption des chocs.
La réduction du poids est sans doute l'avantage le plus important et la principale raison pour laquelle les ingénieurs cherchent à optimiser leurs structures imprimées grâce à des géométries internes structurées. Une caractéristique essentielle des structures en treillis est leur porosité partielle : les cellules contiennent du vide, ce qui permet d'utiliser moins de matière qu'une pièce équivalente à remplissage plein.
Une quantité de matériau réduite signifie une masse moindre, un atout considérable pour les utilisateurs de la fabrication additive dans des secteurs comme l'automobile et l'aérospatiale, où gagner quelques grammes seulement peut avoir un impact majeur sur les performances des pièces. De fait, certaines des recherches les plus prometteuses sur les structures réticulaires sont menées dans le domaine aérospatial, où des entreprises comme Boeing ont développé des matériaux réticulaires avancés ultralégers.
Moins de matière signifie aussi moins de dépenses. En créant des pièces à structure en treillis, les ingénieurs peuvent concevoir des pièces de qualité supérieure à un coût inférieur à celui des pièces de qualité inférieure.
L'intérêt principal des structures en treillis est de réduire la masse sans compromettre l'intégrité de la pièce. Alors que percer des trous arbitraires dans une pièce peut la rendre plus fragile et augmenter le risque de rupture, les structures en treillis imprimées en 3D sont conçues pour utiliser le matériau de la manière la plus efficace possible sur le plan structurel, faisant ainsi des parties creuses non pas des points faibles, mais des atouts en soi.
Les pièces partiellement creuses à structure en treillis peuvent être plus résistantes que leurs équivalents pleins, car les espaces vides du treillis améliorent l'absorption des chocs et réduisent les contraintes d'impact. Les pièces à structure en treillis à grandes cellules peuvent être très flexibles et élastiques, ce qui réduit leur fragilité et le risque de rupture.
Moins importante, mais tout aussi remarquable, est l'esthétique des treillis. Ces motifs complexes comptent parmi les formes les plus impressionnantes que les ingénieurs peuvent réaliser avec une imprimante 3D ; ainsi, les pièces comportant des treillis imprimés sont souvent aussi saisissantes visuellement que pratiques.
Résumé des avantages des treillis imprimés en 3D :
- Légèreté
- Moins d'utilisation de matériaux
- Forte
- Absorption de choc
- Esthétique
Les machines CNC peuvent-elles fabriquer des structures en treillis ?
En bref, non. Les machines CNC et autres technologies d'usinage soustractif ne peuvent pas fabriquer de structures réticulaires 3D car elles utilisent des outils de coupe pour enlever de la matière d'un bloc plein. Une machine CNC pourrait découper les parties creuses de la première rangée de cellules du treillis, mais l'outil de coupe se retrouverait alors bloqué. Il ne peut pas découper la rangée suivante de parties creuses car les parties pleines font obstacle.
Une imprimante 3D ne rencontre pas ce problème car elle fabrique les pièces par tranches ou sections transversales, les construisant à partir de rien plutôt que de les découper dans un bloc massif. La fabrication additive est donc loin d'être la meilleure technologie de fabrication pour la création de structures en treillis.
Notez cependant que les machines CNC peuvent créer efficacement des structures en treillis 2D telles que des grilles, et que ces treillis usinés CNC spécifiques peuvent, en fait, être plus résistants que les treillis imprimés en 3D.
Quelles sont les applications pratiques des treillis imprimés en 3D ?
Les structures en treillis imprimées en 3D trouvent déjà des applications dans de nombreux secteurs industriels, car les ingénieurs et les concepteurs de produits de tous les secteurs commerciaux recherchent constamment des moyens d'alléger et de renforcer les pièces.
La réduction du poids est particulièrement importante dans les secteurs de l'aérospatiale et de l'automobile, car les pièces lourdes diminuent généralement la vitesse du véhicule et augmentent sa consommation de carburant. Les pièces légères sont donc bien plus recherchées.
Étant donné que les structures à treillis existent en architecture depuis des siècles, il n'est pas surprenant que des versions miniaturisées de ces structures gagnent en popularité dans le paysage architectural contemporain . De plus, grâce à la précision de leur conception, les chercheurs ont même trouvé des moyens de créer des motifs 3D réduisant le bruit, ce qui pourrait améliorer les matériaux d'isolation des bâtiments.
On retrouve également des structures en treillis imprimées en 3D dans les vêtements et les chaussures ; des entreprises comme Adidas utilisent des treillis en élastomère imprimés en 3D pour les semelles intermédiaires de leurs baskets. Ces treillis offrent un amorti léger et un rebond exceptionnel, bien supérieur et scientifiquement plus justifié que les fameuses « bulles d’air » des années 1990.
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