Xiaoping Qian tenant un faisceau imprimé en 3D. Les pièces en argent constituent la structure de support optimisée de la poutre. Crédit :Sarah Page
L'impression 3D ouvre des possibilités de conception dont les ingénieurs ne pouvaient que rêver autrefois.
La technologie permet aux fabricants de créer des pièces aux formes uniques et complexes, des pièces que les méthodes de fabrication conventionnelles telles que le moulage sous pression ou le moulage par injection ne peuvent pas produire.
Avec l'impression 3D, également appelée fabrication additive, une machine crée une pièce en ajoutant de la matière par couches, construire l'objet à partir de zéro. Parce que chaque nouvelle couche doit être prise en charge par la couche en dessous, il y a une limite à ce qu'une couche d'une pièce complexe peut dépasser par rapport à la suivante. Par conséquent, les fabricants ont souvent besoin de construire des structures pour supporter une pièce pendant son impression.
"Mais une fois la partie terminée, enlever ce matériau de support peut être coûteux, " dit Xiaoping Qian, professeur de génie mécanique à l'Université du Wisconsin-Madison. "Ces structures de support sont parfois appelées structures sacrificielles, parce qu'ils sont jetés à la fin, ce qui gaspille du matériel et du temps de construction."
Par ailleurs, il peut être difficile d'accéder à la structure de support et de la retirer sans risquer d'endommager la pièce finie.
Pour résoudre ces problèmes, Qian a conçu une méthode qui réduit considérablement la quantité de matériau de support nécessaire pour construire des composants avec l'impression 3D et, dans certains cas, peut même éliminer complètement le besoin de structures de soutien.
Le professeur Xiaoping Qian a mis au point une méthode qui réduit considérablement la quantité de matériau de support nécessaire pour construire des composants avec l'impression 3D. Crédit :Sarah Page
"Traditionnellement, la structure de support est créée en considérant simplement la géométrie de la pièce, puis en créant les colonnes nécessaires au support, " Qian dit. "Mais ce n'est pas optimisé."
Sa méthode rationalise la structure de support à l'aide d'outils de modélisation informatique. En permettant aux fabricants d'utiliser la quantité minimale de matériel de support, l'approche offre des temps de construction plus rapides ainsi que des économies de coûts sur le matériel.
Les techniques de Qian sont largement applicables à une grande variété de technologies de fabrication additive. Jusque là, il a démontré les avantages de son approche en utilisant la modélisation par dépôt fondu et des pièces métalliques imprimées en 3D à l'aide d'un processus de fusion laser sur lit de poudre. Dans un projet, il a utilisé ses techniques pour concevoir une pièce qui nécessitait 43 % moins de matériau de support que ce qui serait utilisé dans le processus de fabrication additive traditionnel reposant sur un logiciel de conception commercial standard.
Cette nouvelle approche est née de l'intérêt de Qian à explorer des moyens d'améliorer les performances structurelles et la fonctionnalité des pièces en tirant parti de la flexibilité de conception offerte par la fabrication additive. Par exemple, il a conçu des pièces avec des formes de composants et des topologies optimisées pour dissiper la chaleur. De telles pièces seraient utiles pour de nombreuses applications nécessitant un dissipateur thermique, y compris en électronique.
La prochaine étape logique était l'optimisation de la structure de support des pièces. "Étonnamment, nous n'avons vu personne d'autre essayer d'utiliser l'optimisation de la topologie pour accomplir cela, " dit Qian.
Il dit qu'une pièce imprimée en 3D a généralement besoin d'un support s'il y a des zones où sa surface est inclinée vers le bas.
La nouvelle méthode de Qian réduit la quantité de matériau de support (plastique noir) nécessaire pour permettre l'impression 3D du matériau rouge (Bucky). Crédit :Sarah Page
Cependant, dans le processus d'optimisation de la topologie, les ingénieurs fournissent d'abord les exigences pour la pièce et les objectifs de conception globaux, puis un programme informatique effectue des analyses et génère des topologies de composants idéales.
« Donc, le défi est, si vous ne connaissez pas à l'avance la géométrie de la pièce, alors comment sauriez-vous la pente de la surface et si vous auriez besoin de soutien ou non ?", Dit Qian.
C'est là qu'intervient sa percée, d'une manière qui ressemble un peu à la prédiction de l'avenir.
Qian a développé une méthode pour calculer la quantité de surface sur un composant qui a besoin de support, sans connaître à l'avance la géométrie finale de la pièce. Il dit que la clé était de définir une nouvelle mesure appelée périmètre de contre-dépouille projeté. "Lorsque vous calculez cette nouvelle mesure, il correspond essentiellement à la zone à accompagner, " il dit.
En incorporant la nouvelle mesure dans ses modèles informatiques, Qian est capable de contrôler la quantité et l'angle de porte-à-faux, minimisant ainsi voire éliminant la structure de support, lors de la conception d'une pièce.
Par conséquent, par exemple, il peut concevoir un composant optimisé pour dissiper autant de chaleur que possible sans avoir besoin de structure de support pour la fabrication.
Concevoir de telles pièces entièrement autoportantes est un domaine de recherche actif pour Qian, et son travail est sur le point de profiter aux fabricants qui cherchent non seulement à économiser de l'argent sur les matériaux et à fabriquer des pièces en moins de temps, mais aussi à créer de nouveaux types de pièces avec une fonctionnalité accrue.
