Dans «Conception du renforcement modulaire imprimé en 3D de poutres creuses composites bobinées avec programmation semi-finie», des chercheurs de la République tchèque améliorent les composites utilisés pour la fabrication de réseaux pour la bio-impression. Leur objectif est de créer un nouveau processus entièrement automatisé pour créer des composites structurels avec des parois minces et des poutres creuses dans les structures. En fin de compte, il leur fallait une optimisation de base d’une section de faisceau avec une forme extérieure déjà définie.
Ce type de recherche n'est pas tout à fait nouveau. En fait, au cours des dernières décennies, de nombreux problèmes d'optimisation structurelle sont des programmes semi-définis. Ici, l'équipe a considéré "un problème industriel de conception de la structure interne de moindre poids d'un composant de machine-outil composite à bobines de filament à paroi mince, susceptible de présenter des instabilités de paroi de cisaillement et de flambement".
Le stratifié de poutre a été créé pour la charge de charges dynamiques, avec des instabilités de paroi définies en ce qui concerne les fréquences propres des vibrations libres. Les faiblesses ont été réduites ici avec une structure centrale en mousse insérée dans le faisceau; toutefois, il s'est avéré que son coût était prohibitif et exigeait beaucoup de travail:
«À l’inverse, nous avons cherché à concevoir automatiquement une structure interne structurellement efficace pouvant facilement être fabriquée à l’aide d’imprimantes 3D classiques à faible coût», ont déclaré les chercheurs.
Ils ont également «étendu» la programmation semi-définie linéaire pour créer des structures internes de type réseau de moindre poids globalement optimales.
Une plus grande rigidité a été rendue possible par la création d’un prototype avec une structure interne plus légère, créée avec une «formulation de programmation semi-finale linéaire convexe plus efficace». Cela permettait une fréquence de vibration libre de base élevée au-dessus d'un niveau spécifique, tout en évitant la différentiabilité typique dans plusieurs valeurs propres. La structure de base de l'échantillon était une poutre composite prismatique stratifiée, mesurant 1 000 mm de long, de section transversale de 80 x 80 mm à parois minces de 2,2 mm d'épaisseur.
Configuration de l'étude de cas. (a) Dimensions extérieures et conditions aux limites simplement supportées, (b) section transversale prismatique, et (c) cas de charge de moulage par compression.
Les chercheurs ont noté qu’ils devaient faire preuve de prudence avant de créer un lien rigide entre la structure interne et le composite de carbone. Après avoir créé un prototype réussi, l'équipe l'a mis à l'épreuve, en commençant par le test du marteau mobile. Là, ils ont découvert un "bon accord avec les prédictions du modèle" en termes de modes propres de flexion, de torsion et de cisaillement.
Toute la structure de la conception du faisceau composite considéré: structure interne (utilisée pour la réduction des instabilités des murs et pour l’augmentation de la fréquence de vibration libre la plus basse); boîtier de la structure de poutre interne (pour permettre l'enroulement de la couche composite finale); couches composites, qui transmettent la charge de travail appliquée à la poutre.
«La sortie d’optimisation de la structure interne semblable à un réseau, distribuée de manière non uniforme, a ensuite été post-traitée automatiquement et convertie en un modèle solide, prêt pour une fabrication additive sans assistance.»
«L’amélioration de la réponse structurelle avec un matériau de plus de deux ordres de grandeur plus conforme par rapport au PRFC suggère de se concentrer sur la substitution de l’ABS par de la fibre de carbone continue à haute rigidité dans les études futures», ont conclu les chercheurs. "Une autre amélioration essentielle pour l'avenir réside dans l'accélération de l'algorithme d'optimisation en exploitant la faible densité d'espace-distance associée à la décomposition de la structure interne basée sur des segments."
Fréquences naturelles et formes de mode déterminées expérimentalement et sélectionnées, prédictions (a) – (h) supérieures et par éléments finis des modes propres et des fréquences propres, (a) – (h) inférieures.
Les chercheurs d’aujourd’hui sont extrêmement intéressés par le fait que la création de composites peut améliorer les processus d’impression 3D, principalement dans le renforcement des matériaux, de l’utilisation de composites de verre aux composites de cuivre, en passant par les polymères, et bien plus encore.
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[Source / Images: 'Conception d'un renforcement modulaire imprimé en 3D de poutres creuses composites bobinées avec programmation semi-finale']
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