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#Tendances produits
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Quatre conceptions légères de la technologie d'impression 3D en métal
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4 façons dont la fabrication additive/l'impression 3D permet de produire des composants plus légers
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La conception et la production de composants légers - parfois appelés "allègement" - est une tendance croissante dans un nombre de plus en plus important d'industries, notamment les transports, l'outillage, l'énergie et les soins de santé.
Comme son nom l'indique, l'allègement est le processus de construction de composants plus légers tout en conservant, voire en augmentant, leur intégrité et leur résistance. Parmi les avantages, citons
- L'allègement des composants offre des avantages très variés, allant de l'amélioration du rendement énergétique dans les transports à une plus grande viabilité en tant qu'implants ou prothèses.
- Les composants sont souvent au moins aussi solides que les matériaux plus lourds utilisés auparavant, grâce aux développements technologiques et aux améliorations de la faisabilité commerciale.
- Une utilisation plus efficace des matériaux et de l'énergie nécessaire à la production, ce qui les rend plus respectueux de l'environnement et répond à une préoccupation croissante des décideurs politiques et des consommateurs.
- Réduction des coûts. Moins de matériaux par composant signifie moins de capital par composant.
La fabrication additive permet de lever un grand nombre d'obstacles à la production de composants légers. Voici quatre façons dont la fabrication additive et l'impression 3D permettent de produire des composants plus légers :
Méthode I - Structures en treillis
La fabrication additive rend l'utilisation et l'échelle des structures en treillis beaucoup plus accessibles.
Vous ne le réalisez peut-être pas, mais vous pouvez voir des structures en treillis (ponts, tour Eiffel) partout et elles existent même dans la nature. Les structures en treillis présentent un rapport résistance/poids élevé.
Les structures en treillis sont des structures tridimensionnelles à cellules ouvertes composées d'une ou plusieurs cellules unitaires répétitives. Ces cellules sont définies par leurs dimensions et la connectivité de leurs entretoises constitutives, qui sont reliées à des nœuds spécifiques et peuvent atteindre l'équilibre idéal entre la résistance technique, la ténacité, la durabilité, la statique, la dynamique et le coût de fabrication.
La densité relative du réseau cristallin, la forme, la taille et le matériau sont ajustés en dupliquant périodiquement un grand nombre de cellules unitaires pour la conception et la fabrication, de manière à ajuster les propriétés mécaniques de la structure, telles que la résistance et la ténacité
Une structure en treillis 3D offre un haut degré de symétrie spatiale qui peut disperser uniformément une charge externe, réduire le poids et augmenter la capacité de charge. Outre les applications techniques, une structure en treillis creuse présente un "espace" (ou ouverture réglable), qui peut faciliter l'intégration dans le corps humain et le tissu de l'implant lors de son application.
La conception des treillis est très flexible et des éléments en treillis de différentes formes, tailles et porosités peuvent être personnalisés en fonction de leur utilisation. Dans la zone à haute résistance structurelle, la densité de l'élément en treillis peut être ajustée pour être plus importante et l'élément en treillis creux à haute résistance structurelle peut être sélectionné.
Dans la zone où les exigences de réduction du poids des composants sont élevées, une structure creuse en treillis avec une grande plage de réduction du poids peut être ajoutée. La structure creuse peut être disposée de manière régulière ou aléatoire pour former des pores irréguliers. En outre, la structure creuse peut également présenter un agencement de transition à gradient de densité et d'épaisseur variables pour répondre aux exigences de la résistance globale à gradient des composants.
Méthode II - Conception d'une structure creuse intercouche / à parois minces raidie
L'impression 3D offre au concepteur un large éventail d'options de conception qui ne sont pas disponibles avec les procédés traditionnels.
L'utilisation de différents remplissages (couches intermédiaires) et de différents paramètres et épaisseurs de paroi permet au concepteur non seulement de réduire le poids net du composant, mais aussi de compenser les différentes charges et contraintes que le composant devra supporter.
La structure remplie permet de réaliser une réduction du poids des composants. Elle offre un bon effet de dispersion des pressions externes, et la structure à parois minces (épaisseur de paroi inférieure à 1 mm, par exemple) est propice à la réduction du poids.
Prenons l'exemple d'une simple tringle à rideau, soumise à une charge de flexion ou de flexion, où le matériau de surface supporte la plupart des contraintes de traction et de compression. Imaginez maintenant qu'un noyau de remplissage ait été ajouté pour aider à disperser la charge. L'effet serait d'augmenter la résistance totale de la tringle sans avoir à recourir à une tringle métallique solide ou même à augmenter l'épaisseur de la paroi.
En outre, les remplissages et autres structures similaires peuvent être utilisés dans les radiateurs pour améliorer la zone d'échange thermique et l'efficacité de la dissipation de la chaleur des pièces.
En résumé, la structure intercalaire présente les avantages d'offrir une réduction nette du poids, une rigidité et une résistance à la flexion élevées, une forte capacité d'anti-instabilité, une résistance à la fatigue, une absorption acoustique et une isolation thermique
Une structure en treillis 3D offre un degré élevé de symétrie spatiale qui peut disperser uniformément une charge externe, réduire le poids et augmenter la capacité de charge. Outre les applications techniques, une structure en treillis creuse présente un "espace" (ou ouverture réglable), qui peut faciliter l'intégration dans le corps humain et le tissu de l'implant lors de son application.
La conception des treillis est très flexible et des éléments en treillis de différentes formes, tailles et porosités peuvent être personnalisés en fonction de leur utilisation. Dans la zone à haute résistance structurelle, la densité de l'élément en treillis peut être ajustée pour être plus importante et l'élément en treillis creux à haute résistance structurelle peut être sélectionné.
Dans la zone où les exigences de réduction du poids des composants sont élevées, une structure creuse en treillis avec une grande plage de réduction du poids peut être ajoutée. La structure creuse peut être disposée de manière régulière ou aléatoire pour former des pores irréguliers. En outre, la structure creuse peut également présenter un agencement de transition à gradient de densité et d'épaisseur variables pour répondre aux exigences de la résistance globale à gradient des composants.
Méthode II - Conception d'une structure creuse intercouche / à parois minces raidie
L'impression 3D offre au concepteur un large éventail d'options de conception qui ne sont pas disponibles avec les procédés traditionnels.
L'utilisation de différents remplissages (couches intermédiaires) et de différents paramètres et épaisseurs de paroi permet au concepteur non seulement de réduire le poids net du composant, mais aussi de compenser les différentes charges et contraintes que le composant devra supporter.
La structure remplie permet de réaliser une réduction du poids des composants. Elle offre un bon effet de dispersion des pressions externes, et la structure à parois minces (épaisseur de paroi inférieure à 1 mm, par exemple) est propice à la réduction du poids.
Prenons l'exemple d'une simple tringle à rideau, soumise à une charge de flexion ou de flexion, où le matériau de surface supporte la plupart des contraintes de traction et de compression. Imaginez maintenant qu'un noyau de remplissage ait été ajouté pour aider à disperser la charge. L'effet serait d'augmenter la résistance totale de la tringle sans avoir à recourir à une tringle métallique solide ou même à augmenter l'épaisseur de la paroi.
En outre, les remplissages et autres structures similaires peuvent être utilisés dans les radiateurs pour améliorer la zone d'échange thermique et l'efficacité de la dissipation de la chaleur des pièces.
En résumé, la structure intercalaire présente les avantages d'offrir une réduction nette du poids, une rigidité et une résistance à la flexion élevées, une forte capacité d'anti-instabilité, une résistance à la fatigue, une absorption acoustique et une isolation thermique
Une fois la topologie optimisée, la structure de forme spéciale est simulée et analysée pour compléter la modélisation finale. Il n'est pas rare que les composants optimisés soient plus de 45 % plus légers que leurs homologues non optimisés.
Parfois, ces conceptions peuvent être produites à l'aide de méthodes traditionnelles, mais ces dernières ne permettent pas de tirer pleinement parti du processus d'optimisation. Par exemple, une toupie CNC à 5 axes peut être utilisée pour réduire le poids net et obtenir la topologie souhaitée, mais seulement en produisant une quantité équivalente de déchets.
Le processus additif de l'impression 3D, en revanche, élimine (ou du moins réduit considérablement dans le cas des supports) les déchets et exploite pleinement l'efficacité du processus d'optimisation.
Méthode IV - Composants intégrés
L'impression 3d peut être utilisée pour produire des pièces intégrées composées à l'origine de plusieurs composants en un seul. Ce procédé permet non seulement d'améliorer la structure intégrale de la structure globale, mais aussi d'éviter l'utilisation de structures de connexion comme les brides, les soudures, etc. utilisées dans la configuration originale des pièces
Cela aide les concepteurs à s'affranchir des contraintes et à réaliser une conception d'optimisation fonctionnelle.
La structure intégrée par impression 3d améliore non seulement la tendance à la surchauffe de la tuyère et au dépôt de carbone, mais augmente également la durée de vie de la tuyère et améliore les performances du moteur.
Les quatre structures d'impression 3d mentionnées ci-dessus sont l'une des directions pour réaliser la légèreté mécanique, et c'est un projet systématique. De l'optimisation de la conception et de la fabrication de chaque composant clé à la recherche, au développement et à l'application de matériaux légers, il est indispensable sur la route de l'exploration de la légèreté.
