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Dans l’impression 3D, les structures lattices sont un outil de conception important qui peut améliorer considérablement la pièce finie. Une bonne compréhension de la création et de l’application des lattices est importante pour une bonne conception, car les treillis peuvent apporter des améliorations considérables à toute une série de caractéristiques. Dans cet article, nous allons voir ce que sont précisément les lattices, quels sont leurs avantages dans l’impression 3D, ainsi que les différents types de structures lattices et leurs domaines d’applications.
Les structures en lattices, comme leur nom l’indique, sont des structures composées de plans ou d’entretoises dans différentes configurations, un peu à la manière d’un nid d’abeilles. L’utilisation de lattices dans l’impression 3D s’inspire de structures trouvées dans la nature, comme les structures cristallines, les structures végétales, les nids d’abeilles et d’autres types de structures organiques. Les structures en lattices peuvent être conçues avec des motifs hexagonaux, octogonaux ou encore d’autres motifs répétitifs, mais elles peuvent aussi avoir une configuration aléatoire.
Si vous avez déjà conçu un objet destiné à être imprimé en 3D, vous avez peut-être déjà utilisé des lattices pour combler des vides dans vos pièces. Il y a parfois un espace vide entre les éléments structuraux d’une pièce imprimée en 3D, ce qui pourrait créer des problèmes s’il n’est pas correctement rempli. Les lattices peuvent être utilisées dans le but de remplir ces espaces, car elles facilitent l’impression et rendent la pièce finie plus solide. Il ne s’agit là que d’une application particulière des lattices, sur lesquelles nous reviendrons plus loin dans cet article.
Ce que vous pouvez garder à l’esprit, c’est que les structures en lattices peuvent être incluses dans la conception de presque tous les modèles 3D. Toutefois, à moins d’être un concepteur spécialisé, vous n’utilisez probablement pas les lattices au maximum de leur potentiel.
Lisez la suite pour en savoir plus sur les avantages des structures en lattices et sur la manière dont vous pouvez les intégrer dans vos conceptions 3D.
Dans les paragraphes suivants, nous examinerons quelques-uns des principaux avantages de l’utilisation de structures en lattices dans vos conceptions.
L’une des raisons les plus courantes pour l’utilisation des structures en lattices dans l’impression 3D est de réduire la quantité de matériau nécessaire à l’impression, sans pour autant compromettre la résistance mécanique et les autres propriétés de vos pièces. L’intégration de lattices dans votre conception réduit considérablement la quantité de matériau nécessaire à l’impression. De nombreuses personnes, en particulier les concepteurs novices, tombent dans le piège de concevoir des éléments plus grands, car la pièce est composée d’un bloc solide. Au lieu de cela, il est possible de remplir l’espace délimité par les contours de l’objet avec une structure en lattices. Cela signifie qu’au lieu d’un bloc solide nécéssitant une quantité importante de matière, vous obtenez une conception optimisée, nécéssitant une quantité moindre de matière. Le coût final de l’impression de l’article peut ainsi être considérablement réduit, en particulier dans les cas où des matériaux plus coûteux sont nécessaires. Même si vous utilisez des matériaux moins coûteux, les économies peuvent s’accumuler sur une longue période de production. Si votre produit final n’a pas d’exigences mécaniques particulières, cela vaut la peine d’envisager le remplissage de vos pièces avec des structures lattices.
Outre les économies, la diminution de la quantité matériaux utilisée présente d’autres avantages. Moins vous utilisez de matériaux, moins votre produit aura d’impact sur l’environnement.
La diminution de la quantité de matière utilisée dans une impression 3D permet également de réduire le poids total. Il est fréquent que la masse finale d’une pièce soit limitée par les exigences d’un projet, ce qui signifie que rendre chaque composant aussi léger que possible est souvent une priorité. Prenons l’exemple des vêtements de sécurité ou des applications biomédicales. Dans le cas d’articles susceptibles d’être portés ou transportés, il est essentiel de réduire le poids et de minimiser la masse du produit fini. Un autre exemple est celui des pièces destinées aux applications automobiles ; toute réduction de poids aura un impact concomitant sur la consommation de carburant.
En plus de peser moins lourd, un objet composé de structures lattices est moins dense et plus flottant qu’un objet solide de mêmes dimensions. Cela peut être important dans certaines applications, notamment lorsqu’un objet doit flotter dans un liquide.
De telles structures peuvent absorber beaucoup plus d’énergie que les masses solides ou encore le vide seul. En variant la configuration et la densité du motif dans différentes zones, en utilisant différents types de cellules et en modifiant la taille de ces cellules, une conception peut être affinée afin d’absorber l’énergie provenant de différentes directions. Cette énergie peut être redirigée et distribuée dans la structure, ce qui lui permet de résister plus efficacement aux forces d’impact. Associée à des matériaux modernes, cette approche de la conception permet de créer des objets dotés d’une résistance aux chocs et d’une solidité mécanique exceptionnelles.
Dans certaines applications, il est prioritaire d’augmenter autant que possible la surface d’une conception. La catalyse chimique ou l’échange de chaleur sont des champs d’application où une surface élevée peut améliorer considérablement les performances d’une pièce ou d’un assemblage. Grâce à leurs multiples entretoises et parois, les structures en treillis ont une surface bien plus importante qu’un élément solide de mêmes dimensions ou qu’un simple vide. Cela leur permet, par exemple, d’émettre plus de chaleur.
Si les structures en lattices présentent une série d’avantages techniques et économiques, elles sont également attrayantes d’un point de vue esthétique. Leurs formes délicates, cristallines ou organiques, séduisent de nombreuses personnes. Les concepteurs de produits en profitent souvent pour rendre leurs articles plus attrayants pour les clients, en incorporant des éléments avec des structures réticulaires même s’il n’y a pas d’avantage mécanique spécifique. Les structures en lattices peuvent donner à un produit un aspect léger et aéré, ou contribuer à donner une impression de haute technologie et de futurisme. Il n’est pas rare que les produits qui utilisent des structures en treillis comportent des éléments transparents qui rendent le treillis visible pour le consommateur, car ils sont si plaisants à regarder.
Une structure lattice est fondée autour du modèle d’une cellule unitaire répétée en série: un motif qui est copié encore et encore dans différentes directions, créant ainsi un treillis. Le type de treillis produit dépend de la forme et de la disposition des cellules unitaires. Les types de treillis peuvent être regroupés en catégories générales qui reflètent leurs principales propriétés.
Si vous souhaitez en savoir plus sur les outils de génération de treillis afin de créer vos propres structures de treillis, lisez notre guide sur les meilleurs outils de génération de structures en lattice.
Il existe une grande variété de sous-types – en réalité, les structures de treillis font l’objet de champs de recherche mathématique entiers, avec des quantités d’articles écrits sur leurs différentes permutations. Ces variations n’entrent pas dans le cadre de cet article ; pour nos besoins, nous nous contenterons des principes de base.
La forme la plus simple de treillis, le treillis plan, commence par un plan plat composé de cellules bidimensionnelles. Ces cellules sont ensuite extrudées en trois dimensions.
Un treillis à entretoises est composé d’un réseau de poutres interconnectées, qui sont reliées selon diverses configurations en fonction de la cellule unitaire utilisée. La cellule unitaire est généralement cubique, les entretoises étant reliées aux faces, aux arêtes ou aux sommets de ce cube. Il faut comprendre que la cellule cubique utilisée n’est pas une structure physique – il s’agit d’un élément de conception mathématique utilisé pour construire le réseau d’entretoises, plutôt que d’un élément physique. Seules les entretoises seront effectivement imprimées. Ces types de structures sont souvent utilisées en architecture et dans le domaine du génie civil.
TPMS est l’acronyme de Triply Periodic Minimal Surface (surface minimale triplement périodique). Un treillis TPMS est constitué de cellules unitaires générées à l’aide d’une équation trigonométrique. Décrit à l’origine à la fin des années 1800 par le mathématicien allemand Hermann Schwarz, les structures de treillis TPMS ont de nombreuses applications dans la fabrication additive.
Un exemple courant est la cellule gyroïde, une cellule TPMS basée sur l’équation sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) + sin(z)cos(x)=0. La cellule gyroïde est constituée de tous les points où l’équation est vraie.
En modifiant l’équation ou en utilisant une équation trigonométrique différente, il est possible de créer différentes formes de cellules unitaires. Les structures en treillis produites à partir de ces formes sont complexes et variées, et présentent une série de propriétés uniques qui peuvent être exploitées dans l’impression 3D.
Une structure de treillis périodique est une structure dans laquelle chaque cellule unitaire se répète sans aucun changement tout au long de l’objet. Un structure en lattice stochastique, au contraire, comporte des cellules unitaires dont les paramètres varient de manière aléatoire. Les structures de treillis stochastiques peuvent être avantageuses dans certaines applications de conception. Elles peuvent rendre une structure isotrope, c’est-à-dire lui conférer des propriétés similaires dans toutes les directions.
Le nid d’abeille est un exemple de réseau périodique dans la nature. Il s’agit essentiellement d’un réseau planaire composé de cellules hexagonales de taille et de disposition uniformes. En revanche, certains types de tissus osseux sont composés de treillis stochastiques : des cellules dont la taille, la forme et la disposition varient dans une zone donnée afin de créer une structure solide qui résiste à des forces provenant de différentes directions.
Nous avons vu certains des avantages et des applications des structures en lattice, et comment elles peuvent contribuer à optimiser certaines conceptions. Il est toutefois important de noter qu’elles présentent certaines limites. Celles-ci doivent être prises en compte lors de la conception de produits en 3D.
La cellule unitaire est la base de toute structure réticulaire et confère différentes propriétés à l’objet construit à l’aide de cette même structure lattice. Malheureusement, le nombre de types de cellules auxquels vous pouvez facilement accéder dans la plupart des logiciels de conception 3D est limité. Il existe certes des outils logiciels qui vous permettent de concevoir vos propres cellules unitaires et de créer des structures de treillis basées sur celles-ci, mais une telle entreprise peut s’avérer plus technique et spécialisée que ce que la plupart des concepteurs et ingénieurs sont capables d’entreprendre efficacement. Il est préférable d’apprendre à connaître les types de cellules unitaires auxquels vous aurez facilement accès et d’apprendre à les utiliser de manière optimale.
Les structures en treillis étant très complexes, elles peuvent avoir une incidence considérable sur la taille d’un fichier numérique. Avec les types de fichiers les plus courants, les grandes sections de structures en lattices peuvent facilement faire passer la taille du fichier bien au-delà de 1 Go. Cela peut représenter un défi pour la plupart des ordinateurs lorsqu’un traitement ultérieur du fichier est nécessaire. Bien qu’il soit possible de réduire la taille du maillage, il faut le faire avec prudence. Le résultat final peut être altéré si le maillage est réduit sans précaution.
Les simulations de contraintes pour les conceptions 3D nécessitent déjà une puissance de traitement importante. Le calcul nécessaire devient plus intensif lorsque l’on introduit des structures en lattices dans l’équation. Pour les treillis périodiques et invariants, l’intensité des calculs peut être réduite car les propriétés d’une cellule unitaire peuvent être extrapolées à l’ensemble de la structure. Toutefois, si vous utilisez un modèle comportant différents types et tailles de cellules, cela peut s’avérer très difficile. Dans certains cas, en particulier si les structures du réseau sont très diverses ou représentent de grandes surfaces de l’objet, les simulations virtuelles de contraintes peuvent être impossibles. Dans ce cas, un prototype physique sera nécessaire pour les essais. Cela augmentera évidemment le temps et le coût financier du projet.
Si la fabrication additive peut facilement gérer la complexité de la création d’une structure lattice, il n’en va pas de même pour de nombreux processus de fabrication traditionnels. Il convient de garder cela à l’esprit si vous créez un prototype imprimé en 3D pour un produit qui sera fabriqué à l’aide d’autres méthodes à l’avenir. Les restrictions des techniques de fabrication conventionnelles, telles que le moulage par injection, doivent être prises en compte lors de la conception d’une pièce comportant des structures en treillis. Ceci est particulièrement important si d’autres zones de la pièce sont conçues pour un processus de fabrication différent. Il peut s’avérer nécessaire d’adopter une approche différente en matière de conception ou d’envisager d’autres matériaux.
Dans certains cas, passer de la fabrication conventionnelle à l’impression 3D peut être une meilleure solution que de compromettre la qualité du produit final. Certaines conceptions ne conviennent tout simplement pas aux méthodes plus traditionnelles. Il peut être intéressant de reconsidérer le processus de fabrication utilisé et de passer à la fabrication additive. Si vous décidez de produire toute la gamme de produits par impression 3D, vous devrez peut-être envisager des moyens de réduire le temps nécessaire à la production de chaque article et de réduire le coût unitaire.
Sculpteo propose des services d’impression 3D à la demande de qualité dans de nombreux domaines et industries, des pièces automobiles aux appareils médicaux en passant par l’art et la joaillerie. Chez Sculpteo, nous pouvons vous aider à développer vos designs 3D et à les concrétiser. Nous proposons une gamme de matériaux, de technologies d’impression 3D et de finitions pour vous donner les résultats que vous souhaitez.
Il vous suffit de télécharger votre modèle sur notre site, de sélectionner les matériaux et les paramètres souhaités, et nous vous donnerons un devis en temps réel.
Si vous travaillez encore sur votre projet, nous pouvons également vous aider. Notre équipe de concepteurs et d’ingénieurs qualifiés peut vous aider au cours du processus de conception initial, tandis que nos experts en impression 3D s’occuperont de la production lorsque votre conception sera prête à être réalisée. Que vous souhaitiez imprimer un simple prototype ou que vous soyez prêt à commander une série complète de produits, Sculpteo dispose des matériaux, de l’équipement et des experts compétents dont vous avez besoin.
Les structures en treillis peuvent avoir de multiples fonctions dans l’impression 3D. Elles réduisent considérablement le poids des objets sans sacrifier leur résistance et améliorent l’efficacité des matériaux en utilisant moins de matière tout en conservant les propriétés mécaniques nécessaires.
Les structures en treillis offrent également des options intéressantes pour la créativité et l’innovation en matière de conception.
Les structures en treillis sont remarquablement personnalisables. Elles peuvent être spécifiquement conçues pour répondre aux exigences techniques d’un large éventail d’applications.
Grâce à la nature additive de l’impression 3D, il est possible de créer des motifs extrêmement précis et complexes, tels que des structures en treillis très serrées. Ces modèles seraient difficiles à réaliser en utilisant uniquement des processus de fabrication traditionnels.