Industries
Now Reading
Fabrication additive – Les nouveaux défis des concepteurs en mécanique

Fabrication additive – Les nouveaux défis des concepteurs en mécanique

par Gaëtan Lefèvre25 février 2016
Partage :

L’optimisation topologique, la fabrication additive sur lit de poudre et la modélisation par formes libres sont trois technologies restées longtemps discrètes et qui s’associent, depuis peu, de manière élégante. Les bureaux d’études ont compris qu’il fallait, dès aujourd’hui, profiter de ces technologies pour produire des idées, des données et des pièces. Cette transformation surprend parfois les hommes et les structures d’entreprises qui ne sont pas encore prêts à se réformer. A3DM Magazine fait le point sur ces nouveaux défis.

Par Philippe Bauer, expert processus, outils et innovation en architecture mécanique chez Thales Air Systems.

Bureau d’études recherche concepteur en mécanique pour étude de pièces aux formes organiques fabriquées par SLM, EBM, SLS. Expérimenté en optimisation topologique, reconstruction par formes libres et modélisation adaptative. Voici une annonce professionnelle qui risque de faire réagir les jeunes techniciens. Et cet exemple n’en est qu’un parmi d’autres concernant les multiples applications et besoins déclenchés par la fabrication additive. Notre (vieux) métier évolue très vite et le besoin de travailleurs formés aux technologies de « conception pour la fabrication additive » apparaît de plus en plus. Nos jeunes recrues ne peuvent plus se retourner vers leurs aînés. Ces techniques sont trop modernes. Tout est à faire ou refaire en termes d’instruction. Si des concepteurs ne sont pas rapidement formés, nous ne produirons pas les données 3D permettant de profiter des technologies de fabrication additive. Nous manquerons le premier virage et passerons certainement à côté d’innovations possibles. Peut-on se le permettre ?

Découvrir, comprendre et appliquer les règles de conception

Le « Design For Additive Manufacturing » prend sa source dans la connaissance des technologies de fabrication, leurs règles d’utilisation, leurs avantages et leurs contraintes. Par exemple, lors de l’utilisation du procédé par fusion sélectif laser (SLM), les géométries émergentes du vide lors de l’impression couche par couche doivent être supportées. La notion de support doit être maîtrisée dès la conception. Le designer ou concepteur doit traquer les plafonds horizontaux, les arêtes ou sommets qui naissent dans le vide, les faces dont l’angle d’inclinaison est inférieur à un certain degré, etc. Les corps creux sont réalisables sans supports mais à condition d’incliner la pièce entière. Le concepteur apprend peu à peu à concevoir dans un monde incliné à 45 degrés.

Nos éditeurs de logiciels de CAO 3D doivent aussi aménager des fonctionnalités pour analyser nos conceptions avant de lancer la fabrication. L’utilisation des coupes et sections interactives s’avère un outil pratique pour détecter l’émergence de ces singularités. Il va falloir toutefois disposer d’outils plus adaptés aux nombreux contrôles de topologie. Des épaisseurs minimales doivent être respectées. Par exemple, les grandes parois fines sont à éviter car elles peuvent se vriller. Certains angles vifs accrochent le racleur de poudre et font basculer la pièce. Une bonne répartition des quantités de matières par couche permet de maîtriser des échanges thermiques pour équilibrer les déformations en cours de fabrication. De nombreuses règles comme celle-ci sont à respecter pour une production réussie.

Le DFAM (Design For Additive Manufacturing) qui vise à harmoniser la performance de la conception à la fabrication a pour objectif de réaliser une pièce dans les meilleures conditions de prix, de qualité, de temps, de performance et de durabilité. Il doit, aujourd’hui, s’étendre à la gestion des matières. Créer celles qui s’adaptent à la fabrication additive, tel que cela avait été le cas pour les technologies de fabrication historiques. Ces règles doivent être rendues accessibles au plus grand nombre. Vous retrouverez ces principes généraux liés à la conception des produits pour la fabrication additive dans le manuel Fabrication additive du prototypage rapide à l’impression 3D d’Alain Bernard et Claude Barlier, édité chez Dunod (voir encadré).

Pièce slm credit Thales Alenia Space a3dm magazine

Pièce métallique slm titane. Crédit : Florent Lebrun. Thales Alenia Space

Utiliser les nouveaux outils de conception

L’optimisation topologique permet de découvrir et comprendre une pièce mécanique. Pour être efficace, cette technologie requiert une parfaite maîtrise des cas de charges mécaniques appliqués. Elle impose aussi une justification drastique des fonctions à remplir. Bref, plus que jamais, l’analyse fonctionnelle joue un rôle et doit être utilisé avec rigueur.

Rappelons que le processus d’optimisation topologique permet d’atteindre un objectif de conception en respectant des contraintes. On pourra, par exemple, maximiser la rigidité d’une pièce en fonction de charges appliquées comme la force ou les masses. Cet objectif devra répondre à des contraintes de déplacement maximal ou des premiers modes de fréquence, etc. Le processus d’optimisation topologique retire la matière inutile à un volume d’étude autorisé (design space) alors même que d’autres volumes tels que les interfaces de fixations restent inchangés (no design space). Il est un outil indispensable aux bureaux d’études mécaniques modernes car il apporte des idées supplémentaires aux concepteurs. Il permet de s’extraire de certaines habitudes de conception qui ont certes fait leurs preuves mais peuvent encore évoluer. L’optimisation topologique n’est, cependant, qu’un outil et seul l’homme peut en extraire la quintessence. L’expérience nous montre qu’il ne s’agit pas simplement de donner un large domaine d’études à une optimisation en pensant que le logiciel va converger immédiatement vers une solution idéale. En fonction des premiers résultats, il faut redéfinir le design space et « reprendre la main ». Le concepteur pourra, par exemple, retirer définitivement du domaine d’études les volumes de matière qui ne seront jamais sollicités. Un nouveau calcul sera plus rapide et permettra d’améliorer le résultat par une meilleure convergence homme/machine.

L’optimisation topologique s’associe donc bien avec les technologies de fabrication additive. Les formes générées, souvent organiques, peuvent maintenant être fabriquées. Attention toutefois, la fabrication additive n’impose pas de générer des formes organiques, il ne faut pas être dogmatique. Elle permet de fabriquer beaucoup de topologies y compris celles qui ressembleraient à une forme usinée, moulée ou estampée. L’image 1 nous montre des solutions concurrentes.

Nos concepteurs vont devoir apprendre à utiliser ces nouveaux outils du quotidien. Il s’agira d’opter pour de nouveaux comportements et postures pour concevoir.

Etude comparative SLM credit Thales Air Systems a3dm magazine

Image 1 : étude comparative slm as7g. Crédit : Thales Air Systems.

De nouveaux outils de design, les formes libres

Le premier résultat d’un calcul d’optimisation est un modèle 3D en polygones. Le concepteur de bureau d’études ne peut se contenter de ce genre de géométrie inexploitable dans les processus classiques. Une phase de reconstruction est nécessaire. Suivant l’actualité des solutions utilisées, le temps de reconstruction peut varier. La cible recherchée est un modèle 3D construit de surfaces nurbs à quatre frontières reliées en continuité G2. Les fonctionnalités utilisables dans nos solutions logicielles de CAO ou même d’optimisation portent les doux noms de « formes libres », « polynurbs », « T_SPLINES », « subdivision surface modeling » et fonctionnent toutes par manipulation d’une primitive que l’on va déformer pour suivre « à vue » le contour des formes organiques (image 2). Ces fonctions dormantes dans nos logiciels se voient « réveillées » avec l’apparition du processus de gestion des pièces organiques.

Reconstruction par formes libres a3dm magazine

Image 2 : Reconstruction par formes libres.

Depuis peu, nos éditeurs de logiciels de CAO travaillent avec un certain succès à semi-automatiser cette reconstruction (reconnaissance facilité de zones organiques), parfois même à l’automatiser complètement. Le modèle polygone complet est alors transformé en nurbs éditables. Pour nos concepteurs, la manipulation de formes complexes n’est plus un obstacle. La formation à ces outils est rapide et leur utilisation agréable.

Ces ruptures technologiques peuvent être à la source d’innovations. De nombreux outils et processus sont disponibles. Former les hommes permettra d’assurer le déploiement de toutes ces technologies.

Automatisation de la reconstruction a3dm magazine

__________________________________________________________

De la fabrication additive à l’impression 3D

Livre FA a3dm magazine

Après avoir présenté le concept de base de la fabrication additive (FA) ou fabrication par couches, Claude Barlier et Alain Bernard, pionniers et experts de la fabrication additive, positionnent cette technologie dans la chaîne numérique du développement rapide de produit (DRP), essentielle à son émergence. L’évolution des applications, de « prototypage rapide » puis d’« outillage rapide », et enfin depuis quelque temps, de « production de produits finis », est clairement définie dans l’ouvrage Fabrication additive, du prototypage rapide à l’impression 3D aux éditions Dunod. Ce livre est destiné aux ingénieurs en bureau d’études, aux concepteurs, aux designers ainsi qu’aux makers passionnés par ces nouveaux procédés.

Fabrication additive – Du prototypage rapide à l’impression 3D de Claude Barlier et Alain Bernard : 75 € – Éditions Dunod

A propos de l'auteur
mm
Gaëtan Lefèvre
Commentaires