Magazine Mardi 21 août 2018 - 15:22

Mes 10 résolutions pour mieux concevoir

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Les nouveaux outils pour concevoir et fabriquer chamboulent nos habitudes. Les anciens concepteurs doivent repenser leur chemin. Les jeunes doivent trouver le leur. A3DM Magazine vous guide !

Depuis les premières épures de principe et jusqu’à la réalisation d’une pièce, je vous propose de dérouler, à l’aide d’un exemple, les étapes (anciennes et / ou nouvelles) d’un processus de conception générique. Mes résolutions à suivre pour bien commencer 2017.

1 - Je prends le temps de poser le problème et d’écrire

Pour illustrer les différentes étapes de réalisation, nous avons choisi d’étudier un mécanisme provenant d’un moteur huit cylindres. Pour augmenter le régime de fonctionnement, il est demandé d’étudier des culbuteurs plus légers pour remplir les fonctions d’ouverture et de fermeture des seize soupapes. La pièce devra assurer les mêmes fonctions et reconduire les solutions retenues initialement par le constructeur du moteur.

• L’axe du culbuteur est directement monté sur le carter.

• Le culbuteur tourne autour de cet axe par deux roulements à aiguille montés à force.

• D’un côté, une touche sphérique en contact avec la « tige de culbuteur ». Cette tige est en appui sur l’arbre à came situé dans le bas carter moteur.

• De l’autre côté, un galet monté sur roulements à aiguille et en contact avec la queue de soupape. Un ressort, appuyé sur le carter, est solidarisé à la soupape par des coupelles et en maintien la tige en contact avec le galet.

Dans cet exemple, l’analyse fonctionnelle des besoins n’est pas refaite. Pour autant, lister méticuleusement les solutions permet de redevenir familier avec le mécanisme.

2 - J’utilise un crayon et un papier pour mes premiers croquis

Avant même d’ouvrir un logiciel quelconque, ouvrir un cahier et réaliser un croquis pour fixer les données est une démarche sage qui permet de communiquer et de mettre au clair ses idées.

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3 - Je construis mon modèle 3D étape par étape

Il faut mettre en place les données dont on dispose. Un « squelette » d’étude mis aux bonnes dimensions par des esquisses 2D dans un modèle 3D simplifié permettra de mettre en place les données globales et les éléments fondateurs à valider. Ces données utilisent des éléments géométriques élémentaires et simples : esquisses, plans, axes, points... Essentiels et globaux, ceux-ci seront partageables entre les composants du système.

Les pièces finales seront constituées de géométries complexes qui n’apporteront que des informations locales. Il ne faut pas perdre de temps en voulant les finaliser trop tôt.

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4 - J’identifie les volumes fonctionnels de mon étude

La pratique de l’optimisation topologique nous impose de dissocier les volumes de géométrie en fonction de leur utilité. C’est le contenu très classique d’un domaine d’étude.

• En vert, les volumes de matière imposés pour fixer les pièces jaunes. Ils assurent des fonctions technologiques locales, comme fixer un roulement.

• En transparence, le volume d’encombrement alloué pour le culbuteur au sein du moteur. Dans ce volume, on trouvera la matière qui reliera les interfaces et les volumes imposés entre eux. Notons que le volume transparent est simple, car il n’est pas dessiné pour un mode d’élaboration particulier. Toutefois, cet assemblage de pièces ou de corps de pièces doit :

• remplir ses fonctions au sein de l’assemblage global pour ne pas interrompre l’étude des composants adjacents ;

• tenir compte des accès aux fixations et débattements des outils.

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5 - J’utilise l’optimisation topologique pour avoir des idées de formes

L’objectif est d’avoir une pièce dont le ratio masse / raideur soit minimal tout en respectant les contraintes modales et de charges mécaniques. La première solution consiste à tracer en fonction de nos compétences, de nos habitudes, ou même de copier un modèle similaire. Il nous restera à vérifier, par calcul, le respect des spécifications et à itérer, manuellement, pour tenter d’optimiser la pièce. 

Une autre manière d’aborder la conception consiste à « concevoir par la topologie » à l’aide d’un logiciel d’optimisation. Le problème est directement posé au logiciel, qui nous répond en proposant des idées de forme. On sera plus à l’aise pour atteindre la cible et argumenter la conception de la pièce.

Le domaine d’étude pour notre exemple est constitué de :

• l'objectif de ratio masse / raideur minimal sur une pièce en AS7G ;

• contraintes modales : données sur les sept premiers modes ;

• charges mécaniques maximales sur les paliers du galet (came position haute) ;

• l'effort au montage des roulements aiguilles droite et gauche ;

• contraintes géométriques telles que le volume alloué pour le calcul en transparence ou les volumes invariables en vert.

Il est parfois difficile d’obtenir les bons cas de charge. Il s’agit d’une des causes majeures d’itérations inutiles. Le calcul est lancé ici avec un maillage assez grossier en élément T4 avec la cible de masse à 15 % de la masse du domaine d’étude.

Lors de cette étape, on ne cherche pas à optimiser, mais juste à comprendre à quoi peut ressembler la pièce et quels sont les flux de matière. On valide surtout le comportement du modèle et la cohérence des cas de charge.

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6 - Je garde la main sur la conception

Le premier résultat d’optimisation indique les « tendances de répartition de la matière ». Un bon réflexe consiste à identifier les zones sans matière. Je « reprends la main » pour affiner le volume d’étude en fonction de ce que j’ai découvert. Ce volume pourra être réduit de moitié. Même chose pour les temps de calcul, ce qui permettra de multiplier les itérations. J’affine les tailles maximales et minimales des bras, je diminue la taille de maille, je passe en éléments T10 et j’ajoute une contrainte de démoulage double.

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7 - Je choisis un mode d’élaboration adapté à mon besoin

La fabrication additive ne s’applique pas de manière dogmatique, elle complète la panoplie des moyens de fabrication traditionnels. Si cette technologie est une bonne réponse à mes besoins, je reconstruirai la pièce avec des formes organiques plus conformes au modèle optimisé. Grâce à l’utilisation de la contrainte de démoulage double, la topologie optimisée se prête aussi à usiner entièrement la pièce. Retenons que l’optimisation topologique est un « outil d’aide à la conception » qui n’impose pas forcément la fabrication additive.

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8 - J’investigue la fabricabilité de la pièce en fabrication additive

Le fabricant de la pièce est maître d’œuvre, à condition toutefois qu’on ne lui soumette pas un modèle impossible à imprimer. Par exemple, il est intéressant de commencer à rechercher un angle d’impression et ainsi se familiariser avec les zones à supporter (par exemple pour la technologie SLM). De la même façon, il faut vérifier la qualité de modélisation 3D de la pièce pour lever des anomalies mathématiques qui peuvent poser problème lors des imports / exports. Attention toutefois : sur une pièce optimisée, il est difficile de modifier la géométrie au risque de modifier la tenue de la pièce.

Gageons que, dans un futur proche, les éditeurs de logiciels d’optimisation ajouteront une contrainte de fabrication pour prendre en compte une optimisation des supports.

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9 - Je valide la tenue de la pièce reconstruite

La reconstruction de la pièce peut nous faire dériver du modèle optimisé. Pour notre exemple, la variation de la contrainte de Von Mises et du déplacement vertical maximum du galet n'est que de +/- 5 % entre les trois modèles : optimisé, organique, usiné.

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10 - Je prends le temps de communiquer sur le résultat final

Rien n’interdit de réaliser une image de synthèse avant la fabrication. Attention, toutefois, à ce que cette image ne soit pas « trop parfaite », car la réalité sera souvent moins éclatante.

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Conclusion

Il est difficile de répondre à la question : « Comment concevoir pour la fabrication additive ? » Pour ma part, je crois avant tout qu'il faut connaître les règles et les intégrer dans les processus de génération d’idée. L’analyse fonctionnelle reste le point d’entrée pour poser un problème et trouver de nouvelles solutions utilisant les capacités de cette technologie. En ce qui concerne la démocratisation de l’optimisation topologique, l’exemple ne précise pas le gain de masse. Si l’étude n’avait pas eu d’antériorité, il n’aurait pas été possible de l’évaluer.

Retenons que l’optimisation topologique est un outil de conception qui participe à la création de meilleures pièces ou de meilleurs produits. Pour en revenir à mes résolutions, je tiens à les appliquer pour rester dans la mouvance du moment qui est aussi celle de mes compétiteurs. Je vous invite à faire de même.

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