Structure lattice
Une structure lattice (traduit littéralement : structure en treillis) est un matériau architecturé d'origine synthétique ou naturelle.
Les structures lattices peuvent être définies comme étant une combinaison d'un matériau et de zones vides, assemblés d'une manière créant des caractéristiques physiques inatteignables par un matériau seul[1]. Les exemples les plus simples rencontrés dans la nature sont les nids d'abeilles. De par leurs caractéristiques géométriques, les structures lattices peuvent être utilisées pour obtenir des pièces de faible masse et de haute résistance. De façon plus générale, elles permettent de réaliser différents types de fonctions telles que l'amortissement ou la dissipation mécanique, les échanges ou la dissipation thermique. Leur application reste aujourd'hui confidentielle car des problèmes de mise en œuvre subsistent : les méthodes de conception et les outils de CAO restent embryonnaires. De même, la production de ces matériaux n'est pas sans poser des problèmes, ce qui rend nécessaire le contrôle de leur intégrité[2]. Les méthodes de contrôle restent peu nombreuses, la tomographie par rayons X restant la méthode la plus adaptée aujourd'hui[3].
Caractéristiques[modifier | modifier le code]
Les structures lattices sont reconnaissables par la conjugaison de plusieurs caractéristiques[4]. Celles-ci sont typiquement :
- une organisation spatiale architecturée en treillis ;
- un motif géométrique élémentaire qui se répète de manière périodique dans l'espace, le motif pouvant subir des déformations géométriques en fonction de sa position dans l'espace ;
- une porosité ouverte avec un taux de porosité important (> 90 %) ;
- une structure en treillis dite conformale qui suit la courbure de la pièce et/ou de son enveloppe ou inversement une structure non conformale qui ne se déforme pas dans l'espace ;
- un ratio performance fonctionnelle/poids ou performance fonctionnelle/volume exceptionnel.
Le dimensionnement des structures lattices reste une des difficultés actuelles pour une utilisation massive de ce type de géométrie. Des modèles simplifiés ont permis de tirer quelques conclusions simples sur le module de Young et le coefficient de Poisson équivalent de structures simples à partir d'un modèle de poutre simple[5]. Des travaux sont en cours pour améliorer le dimensionnement mécanique des structures lattices par la modélisation de la structure par éléments finis et son optimisation topologique. Mais ceci nécessite des capacités de calcul phénoménales qui amènent à développer des méthodes intégrales qui modélisent les structures lattices comme un métamatériau équivalent[6].
Applications[modifier | modifier le code]
Les applications de structures lattices sont très larges. Lorsqu'elles incluent les géométries de cellules de Kelvin (on parle alors de mousses métalliques périodiques à pores ouverts)[7],[8] et les gyroïdes, elles permettent en particulier :
- l'absorption d'énergie mécanique (choc, flexion…)[9],[10] ;
- l'absorption de vibrations mécaniques[11] ;
- l’allègement de structures métalliques[12] ;
- l'isolation thermique, la dissipation de chaleur et l’échange thermique[13],[14] ;
- le stockage d'énergie thermique sous forme de chaleur[15] ;
- la catalyse et la distillation[15] ;
- l'interfaçage avec la structure spongieuse des os (structures trabéculaires) par un meilleur ancrage osseux[16],[17] ;
- le design industriel.
Mise en forme[modifier | modifier le code]
Les structures lattices peuvent être fabriquées selon plusieurs procédés[6] :
- par procédé de fonderie[18] ;
- par fabrication additive[19] ;
- par poinçonnage ou découpage, pliage et brasage de feuilles métalliques ;
- par brasage de fils métalliques placés en réseaux.
Seules les deux premières méthodes ont montré un véritable potentiel industriel, la deuxième pouvant être utilisée pour les matériaux plastiques. Les deux autres sont compliquées à mettre en œuvre, les possibilités de design assez limitées et les performances mécaniques obtenues sont limitées par la qualité de la brasure[6].
Notes et références[modifier | modifier le code]
- (en) Mike Ashby, « Designing architectured materials », Scripta Materialia, , p. 4-7 (lire en ligne).
- Anne-Françoise Obaton, Alain Bernard, Georges Taillandier et Jean-Marc Moschetta, « Fabrication additive et besoins en contrôle », 17th International Congress of Metrology, (lire en ligne).
- « Le contrôle des pièces par tomographie aux rayons X », sur MetalBlog, .
- (en) Abdul Hadi, Frédéric Vignat et François Villeneuve, « Design Configurations and Creation of Lattice Structures for Metallic Additive Manufacturing », 14e Colloque National AIP-Priméca, (lire en ligne).
- (en) Norman A. Fleck, « An overview of the mechanical properties of foams and periodic lattice materials », Cellular Metals and Polymers, (lire en ligne).
- Abdul Hadi Azman, Method for integration of lattice structures in design for additive manufacturing, (lire en ligne), p. 1.
- « Innovation en mousses métalliques », sur ctif.com.
- « Les opportunités des mousses métalliques Castfoam® pour les solutions multi-matériaux », sur innovdays-plasturgie.com, .
- « L'absorption d'énergie par des structures lattices », sur MetalBlog, .
- .
- (en) Kathryn H. Matlack, Anton Bauhofer, Sebastian Krödel, Antonio Palermo et Chiara Daraio, « Composite 3D-printed metastructures for low-frequency and broadband vibration absorption », Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America, , p. 8386-8390 (lire en ligne).
- « Structures lattices fabriquées par EBM », sur sf2m.fr, .
- « MOTA développe un nouveau concept d’échangeur thermique à hautes performances en mousse d’aluminium », .
- « Propriétés thermohydrauliques des mousses métalliques et design d'échangeurs », Journée SFT - Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques et Multifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation, sur sft.asso.fr, .
- « Tech Hour - Mousses métalliques par voie de fonderie et structures lattices », sur nae.fr, .
- « Fabrication additive : vers des implants plus efficaces en titane-céramique ? », sur DeviceMed.fr, .
- (en) Anastasia A. Kolomiets, Vladimir V. Popov, Gary Muller et Alexey Kovalevsky, « Benefits of Titanium Additive Manufacturing for Industrial Design Development. Trends, Limitations and Applications », Global Journal of Researches in Engineering (J), (lire en ligne).
- « Les structures lattices par voie de fonderie », sur MetalBlog, .
- Pipame, « Prospective : Futur de la fabrication additive - Focus sur les matériaux métalliques hors aluminium », Études économiques - Ministère de l'Économie, , p. 43-45 (lire en ligne).
