Les structures lattices en impression 3D

Dans les pièces automobiles, les implants médicaux, les chaussures de course ou les sacs à dos de randonnée, nous voyons de plus en plus de pièces imprimées en 3D avec des motifs en treillis ou en nid d’abeilles. On pourrait penser que ces structures en treillis, ou lattice structures comme elles sont appelées en anglais, sont la dernière innovation dans l’impression 3D et la conception pour la fabrication additive (DfAM). En réalité, nous sommes constamment entourés de structures en treillis naturelles. Pensez aux rayons de miel, aux flocons de neige, aux clôtures, aux éponges ou même à la Tour Eiffel.

Les structures en treillis ou lattices consistent en un réseau de nœuds connectés suivant des motifs (appelés cellules), qui se répètent ou varient de manière continue, apportant des avantages en termes de propriétés des pièces ou de production. Dans la fabrication traditionnelle, les lattices sont rares, car ces procédés ne permettent pas de réaliser des designs aussi complexes. C’est là que réside la force de la fabrication additive, ce qui fait des lattices et de l’impression 3D un duo parfait.

Lattice imprimée en 3D (crédits photo : Sculpteo)

Avant de parler de l’impression 3D des structures en treillis, examinons d’abord les types de lattices disponibles. En principe, les lattices sont formés par la connexion de nœuds à l’aide de segments. Selon la disposition des segments et des nœuds, des motifs réguliers ou irréguliers peuvent émerger. En modifiant la densité des segments ainsi que la géométrie et la taille des cellules, on peut ajuster des propriétés telles que l’élasticité ou la rigidité d’une pièce. Il existe une grande variété de types de treillis, et des recherches sont menées pour développer des treillis toujours plus diversifiés et performants. Cependant, les treillis les plus courants peuvent être classés en quelques catégories :

1. Treillis planaires : Ces treillis reposent sur une structure bidimensionnelle plane qui forme une pièce tridimensionnelle. Comme les couches sont imprimées individuellement, il peut être nécessaire de les assembler par la suite. Ce type de treillis inclut les motifs tétraédriques, les treillis Voronoi, ainsi que les treillis rhombiques et hexagonaux (par exemple, les nids d’abeilles).
2. Treillis à entretoises : Ces treillis sont composés de segments connectées qui forment un réseau en reliant les nœuds, les coins ou les arêtes des cellules. Les couches imprimées se chevauchent et s’emboîtent. Il peut arriver que le treillis ait besoin d’être renforcé par des matériaux de support.
3. Treillis TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) : Ces treillis sont basés sur une équation trigonométrique qui détermine la cellule. La forme de base des treillis peut varier.

Il existe une grande variété de structures en treillis imprimées en 3D. (crédits photo : Shenzhen JR Technologies)

Les lattices peuvent également être classés comme périodiques ou stochastiques. Les treillis périodiques conservent un motif uniforme à travers toute la structure, tandis que les treillis stochastiques présentent des variations dans la forme, la taille et l’agencement des cellules pour renforcer la structure dans certaines directions.

Le choix de la lattice dépend de son objectif final. La conception prend en compte la géométrie et la taille adaptées, ainsi que la rigidité souhaitée. Le comportement au flambement, c’est-à-dire la manière dont la structure cède sous la pression et dans quelles directions, est également analysé. De plus, il est souvent question de savoir si le treillis peut absorber de l’énergie en cas de déformation.

Conception et impression 3D de lattices

Pour concevoir des lattices pour l’impression 3D, un outil de conception spécialisé est nécessaire. Bien que certains logiciels de modélisation proposent des fonctions de base pour les treillis, les logiciels spécifiques à l’optimisation topologique ou à la conception générative sont plus fiables. La conception générative calcule le design optimal en fonction des propriétés requises pour la pièce et de la méthode d’impression choisie. Si le design inclut des treillis, leurs cellules, leur densité et leur agencement sont également calculés.

De nombreux outils sont disponibles pour optimiser des modèles 3D et créer des structures en treillis, notamment Autodesk Within, nTop de nTopology, Meshify, 4D_Additive de Core Technologie, Netfabb, ou HyDesign de Hyperganic. Le choix du design dépendra de l’application, du matériau et de la technologie d’impression.

Avec HyDesign de Hyperganic, vous pouvez concevoir des structures en treillis. (crédits photo : Hyperganic)

Les structures en treillis sont beaucoup plus faciles à produire grâce à l’impression 3D, car elles sont souvent très complexes et délicates. De plus, l’impression de treillis est plus rapide que celle de structures pleines. En théorie, une large gamme de matériaux et de technologies d’impression peut être utilisée, mais chaque procédé impose ses spécificités :

• En impression FDM et SLA, des structures de support sont nécessaires pour les grandes structures en treillis.
• Avec les procédés à poudre tels que le SLS ou MJF, des points d’accès suffisants doivent être prévus pour permettre un dépoudrage efficace.
• En DMLS, des supports supplémentaires doivent être pris en compte pour éviter les limites de 2 mm pour les ponts sans support.

Ces particularités sont généralement prises en compte dès la phase de conception.

Les propriétés souhaitées de la pièce et son application sont intégrées dans la conception de la structure en treillis. (Image : nTopology)

Défis et avantages des treillis

Les principaux défis incluent l’orientation des cellules, les distances entre les poutres et les angles par rapport à la plateforme d’impression. Le treillis doit à la fois répondre aux objectifs de la pièce finale et être réalisable. De plus, les fichiers numériques des designs de lattices peuvent être très volumineux (plus de 1 Go) et nécessiter une grande puissance de calcul pour les simulations.

Cependant, les avantages sont nombreux :

• Économie de matériau : Les lattices permettent de produire des pièces plus légères, réduisant les coûts et améliorant les performances, notamment dans le domaine des structures légères.
• Qualité accrue : Les treillis améliorent l’absorption des chocs, augmentent la flexibilité ou, à l’inverse, renforcent la rigidité des produits pour les rendre plus durables.
• Applications spécifiques : Les lattices augmentent la surface d’échange thermique dans les échangeurs de chaleur et stimulent la croissance osseuse dans les implants médicaux.

Toucan Beak, un échangeur de chaleur imprimé en 3D avec des structures en treillis à l’intérieur. (crédits photo : Aidro)

Applications des lattices imprimées en 3D

Passons maintenant à quelques domaines d’application où les lattices imprimées en 3D démontrent leur potentiel. Dans le domaine médical, les lattices sont utilisés non seulement pour les implants, comme mentionné précédemment, mais également pour les prothèses et les orthèses afin d’optimiser le poids, la solidité ou le confort.

Les structures en treillis sont particulièrement avantageuses dans les applications où la haute performance et la légèreté sont essentielles, comme dans l’industrie automobile, aéronautique et spatiale. Par exemple, grâce aux treillis et à la fonction « Shell & Lattice » de nTop, Aerojet Rocketdyne a réussi à réduire le poids d’un bloc de moteur quadruple de 67 % et à abaisser son coût de production de 66 %.

Bloc moteur d’Aerojet Rocketdyne utilisant des structures en treillis pour réduire le poids (crédits photo : nTopology)

Mais les lattices gagnent également en importance et en popularité dans les domaines du sport et des biens de consommation. Nous voyons de plus en plus d’équipements de protection et de rembourrages en treillis imprimés en 3D. Ces lattices se retrouvent dans des selles de vélo, des rembourrages de casques, des vêtements de protection, etc., ainsi que dans les semelles intermédiaires des chaussures. En particulier pour les chaussures de course, on espère une meilleure transmission d’énergie et des performances accrues.

Cette logique s’applique également aux sièges de voiture ou aux sacs à dos. Par exemple, le spécialiste de l’équipement outdoor Oechsler a utilisé l’outil Magics de Materialise pour améliorer le confort de ses sacs à dos innovants grâce à des structures en treillis. Les meubles commencent également à intégrer des treillis, bien que, dans ce cas, l’esthétique semble primer sur la légèreté.

Ces exemples montrent que les lattices sont déjà présentes dans de nombreuses applications. Avec la progression de l’industrialisation de l’impression 3D et les possibilités de conception qui ne cessent d’évoluer, cette tendance devrait non seulement se poursuivre, mais aussi s’intensifier dans le futur.

Structures en treillis pour l’absorption des chocs et un meilleur confort (crédits photo : Oechsler)

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*Crédits photo de couverture : Dassault Systèmes