Guide des structures treillissées pour les ingénieurs d’études

Avec l'essor de la fabrication additive, les ingénieurs sont de plus en plus nombreux à explorer les structures treillissées pour leurs conceptions. En effet, la fabrication additive vous libère de la contrainte des pièces solides associées aux méthodes de fraisage ou de moulage classiques.

Imaginez remplacer un support en acier par une toile complexe qui assure une résistance élevée, tout en légèreté.

Pour permettre cela, les systèmes CAO peuvent automatiser la génération des treillis. Aujourd'hui, vous pouvez ajouter des motifs de poutres, des armatures, des cellules en losange, ou pratiquement toute autre forme à votre conception, dans n'importe quelle configuration, avec la certitude que votre imprimante 3D peut produire ces formes.

Cela résonne comme une libération, même si ce n'est pas évident au premier abord.

Cet article aborde en détail ces structures diverses : de quoi s'agit-il et pourquoi les ajouter à votre jeu d'outils de conception ? En outre, nous présentons la multitude de possibilités offertes à tout utilisateur prêt à adopter cette nouvelle approche fascinante de la conception de produits.

Qu'est-ce qu'une structure treillissée ?

Les structures treillissées sont des configurations inspirées de la nature, basées sur la répétition de cellules composées de toiles ou d'armatures de motif hexagonal, en nid d'abeille ou aléatoire. Dans la nature, les structures treillissées confèrent de la force et de la souplesse à des matériaux légers. Pensez notamment aux ruches, aux os ou aux éponges de mer. 

Les ingénieurs d'études peuvent également adapter les treillis à leurs modèles afin d'en améliorer les performances. C'est même vivement recommandé ! Pensez aux aspects suivants :

Les treillis contribuent à réduire le poids

Que ce soit pour une bobine ou un support de moteur, les treillis contribuent à réduire la masse sans occasionner de contrainte ou de déplacement. Ils conviennent pour différents champs d'application : panneaux de structure légers, dispositifs d'absorption d'énergie, isolation thermique, protection balistique ou implants poreux.

Les treillis ne nécessitent pas de support

Certains treillis vous permettent d'éviter les structures de support normalement requises pour la fabrication additive et de réduire ainsi la consommation de matière et les étapes de post-traitement.

Les treillis peuvent être automatiquement générés dans le système CAO

La création de cellules complexes a gagné en facilité. Certains systèmes CAO incluent désormais la technologie permettant d'adapter rapidement ces structures à vos modèles. Vous spécifiez les propriétés d'une cellule, vous la générez et vous testez les résultats sans quitter votre environnement de conception.

Image : Étude de déformation relative à une pièce avec structure treillissée.

Types de treillis

Vous pouvez créer un treillis selon une variété infinie de méthodes. Il peut être formé de cellules aléatoires suivant la surface d'un modèle 3D. Ou il peut se composer d'extrusions 2 1/2D ou de poutres 3D remplissant le volume d'un modèle.

Les poutres et les structures 2,5D constituent les types de treillis les plus courants, notamment les extrusions 2 1/2D (comme les nids d'abeille) ou les poutres 3D avec des cellules composées de profils triangulaires, hexagonaux ou carrés.


Image. Une structure en nid d'abeille 2 1/2D utilisée dans une pièce.


Image : Treillis 3D à base de poutres paraboliques d'épaisseur variable, de haut en bas.

Les treillis stochastiques utilisent des cellules aléatoires pour créer un résultat semblable à de la mousse adaptable à une surface de limite. Ils peuvent absorber les chocs et les ondes sonores, ou remplir des structures en sandwich. Dans les applications médicales, ils peuvent fournir une structure dans laquelle un os pourra se développer.

Les treillis basés sur des formules représentent vraisemblablement les treillis les plus intéressants. Orientés correctement, ils peuvent réduire ou supprimer la nécessité des supports. Cela permet de diminuer le gaspillage de matière et les tâches de post-traitement. Ces cellules peuvent avoir une forme gyroïde, primitive ou en losange.

Image : Une cellule gyroïde peut être répétée pour créer des treillis ne nécessitant aucun support en fabrication additive.

Les treillis personnalisés vous permettent de définir vos propres cellules. Toute géométrie que vous pouvez modéliser et insérer dans les limites d'un cube peut être transformée en treillis. Ceci est particulièrement utile lorsque vous souhaitez expérimenter les propriétés/possibilités d'un treillis, qu'il s'agisse de la performance, de l'endurance ou de la fatigue. Les options géométriques connaissent une seule limite : votre imagination.

Pour en savoir plus sur les dernières avancées relatives aux structures treillissées dans Creo, regardez cette vidéo avec Paul Sagar (PTC) : 

Optimiser les conceptions qui utilisent les treillis

Maintenant que vous avez ajouté un treillis à votre modèle, vous pouvez l'optimiser à l'aide de puissants outils paramétriques.

Représentations

Si vous redoutez que des treillis complexes ralentissent votre ordinateur, Creo peut créer automatiquement une représentation allégée pendant que vous travaillez. Vous pouvez à tout moment passer à la géométrie complète, à la représentation simplifiée ou au modèle homogénéisé.

Quelle est la différence ?

Une représentation simplifiée est moins précise qu'une géométrie complète mais sollicite moins les ressources de votre ordinateur. Elle offre un bon équilibre entre la précision et les performances.
Un modèle homogénéisé va plus loin et traite le treillis comme un solide mathématiquement équivalent. Cela convient particulièrement bien aux structures treillissées denses.
De nombreux ingénieurs utilisent ces options simplifiées et homogénéisées, par exemple pour soumettre leurs modèles à une analyse par éléments finis.

Image : Dans ce modèle, la zone verte est un treillis homogénéisé. Il inclut certaines caractéristiques de base du modèle complet, mais il a été homogénéisé afin d'améliorer temporairement les performances.

Conception pilotée par simulation

Vu la multitude d'options disponibles pour créer des treillis, vous pourriez hésiter face au choix et vous interroger sur l'option la mieux adaptée à votre projet. Or, justement, vous ne devez pas chercher. Il vous suffit de concevoir, d'exécuter une simulation, de modifier votre conception, de refaire une simulation, et ainsi de suite, jusqu'à ce que vous ayez trouvé le modèle optimal correspondant à vos exigences.

C'est le principe de la conception basée sur la simulation. Vous n'avez peut-être pas l'habitude d'utiliser la simulation pendant le processus de conception. Pourtant, cela vous permet d'observer les répercussions de chaque modification sur le fonctionnement de votre conception.

Creo offre deux options :

Creo Simulate est un solveur classique qui permet d'effectuer une analyse par éléments finis standard sur votre modèle treillissé. Comme il s'exécute sur la plateforme Creo, vous ne devez pas passer d'un logiciel à l'autre. Quant aux représentations simplifiées et homogénéisées évoquées plus haut, elles sont idéales pour tirer des performances optimales de Creo Simulate.

Creo Simulation Live permet également l'analyse par éléments finis mais fonctionne en temps réel. Votre logiciel effectue des analyses structurelles, thermiques et modales (ou même CFD) en quelques secondes durant le processus de conception, sans maillage, sans devoir attendre le rapport de l'analyste.

Cela signifie que vous pouvez itérer votre conception, ajuster les types de cellules, les matières, etc. jusqu'au moment où vous avez atteint vos objectifs.

Image. Comparaison de treillis simplifié et homogénéisé. Remarquez la différence des valeurs de déformation. Si le modèle homogénéisé présente des performances plus rapides, le modèle simplifié fournit des résultats plus précis.

Concevoir pour la fabrication additive avec les treillis

Types de treillis, représentations de treillis, simulations et optimisations de treillis… Creo offre des options de conception illimitées pour l'utilisation des treillis dans la conception. À vous de jouer : comment comptez-vous utiliser les treillis pour obtenir plus rapidement des conceptions plus réussies et plus résistantes ?

Pour en savoir plus sur Creo et les possibilités de la fabrication additive, consultez la page Web dédiée à la fabrication additive.