Magazine Mercredi 30 mai 2018 - 21:36

L’optimisation topologique est-elle à la portée de tout concepteur ?

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Optimisation topologique F3DF A3DM

La mise sur le marché de nouveaux logiciels pourrait changer la manière de créer et de concevoir. Les procédures industrielles et les formations de ces outils sont en cours d'écriture. Seriez-vous prêts à essayer ?

Par Christine Moullet et Florian Berthelot, de F3DF.

L’optimisation topologique consiste à trouver la répartition de matière idéale dans un volume donné, soumis à différentes contraintes. La résolution d’un problème passe par la discrétisation de la pièce à optimiser selon la méthode des éléments finis. La géométrie est alors réduite à un maillage. On peut ainsi soit fixer la quantité de matière mise en œuvre pour mettre en avant des formes optimales, soit chercher directement à définir une forme minimisant la matière à mettre en œuvre pour alléger au maximum la structure, en respectant une contrainte à ne pas dépasser. Le résultat obtenu est une géométrie « facettisée » sur laquelle une rétroconception est souvent nécessaire.

L’apanage des ingénieurs

L’optimisation topologique est, dans un premier temps, l’apanage des ingénieurs. Cependant, ces derniers n’ayant pas pour mission d’optimiser les pièces dessinées par le bureau d’étude à des fins d’industrialisation, l’outil reste souvent sous-employé. D'autres part la mise à disposition d'outils de simulation intégrés à la CAO encourage les concepteurs à tester la tenue de leur pièce. À cette étape, se trouve la première difficulté face aux compétences requises pour élaborer les hypothèses de calcul, au plus près de la réalité, ainsi que pour analyser et critiquer les résultats. Dans la démarche d’optimisation topologique, des risques existent, comme celui d’étudier le mauvais comportement, par exemple la compression au lieu du flambage.

L’optimisation topologique offre la possibilité de proposer plusieurs formes pour la même pièce, en faisant varier les hypothèses de simulation ou d’industrialisation.

Les essais

Les résultats suite à une optimisation topologique, avec ou sans lattice, peuvent différer en fonction des logiciels utilisés. Voici quelques exemples avec une pièce de type bride, avec trois alésages, ainsi que quelques conseils !

1 Avec NetFabb d’Autodesk, la structure lattice 3D est simple à mettre en oeuvre et à optimiser. Il faut bien déterminer avec soin le volume contenant le lattice 3D, trouver le parallélépipède rectangle inscrit au mieux dans le volume affecté au treillis et enfin explorer l’optimisation du lattice. Vous pouvez utiliser en final le « kernel lattice ».

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Optimisation topologique Netfabb Autodesk F3DF A3DM

2 Avec Inspire de SolidThinking, l’optimisation topologique est efficace et permet d’avoir un résultat en surface (et en facette). Vous devez varier vos chargements, vos conditions aux limites et vos critères de fabrication pour explorer plusieurs résultats et choisir celui que vous mènerez au bout. Vous pouvez appuyer des surfaces avec l’outil « polynurbs », et terminer la pièce avec une CAO « classique ». Les zones de lattice peuvent être déterminées en relevant des zones contenant des branches fines.

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Inspire Solidthinking optimisation topologique F3DF A3DM

3 Avec Creo Simulate de PTC + ProTOPCI de CAESS, l’optimisation topologique, avec ou sans lattice, s’appuie sur le maillage de Creo. Vous devez commencer par définir le maillage sur Creo, afin que les facettes soient le plus régulières possible. Vous pouvez vous arrêter à l’optimisation topologique du volume si cela vous convient. Vous pouvez balancer au mieux le lattice dans le volume prévu pour celui-ci. Un lattice 2D est souvent plus adéquat.

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Creo CAESS optimisation topologique F3DF A3DM

Nos conclusions

Les principales difficultés rencontrées ont été les suivantes :

• réaliser le bon maillage dès le départ ;

• utiliser des conditions aux limites éloignées de la réalité ;

• raisonner uniquement avec le critère de von Mises ;

• manquer de proposition de lattice 2D ou 3D ;

• passer par des phases complexes de construction de surfaces ;

• enchaîner les étapes du processus ;

Ces difficultés pourraient être compensées par :

• une « souplesse » dans les outils CAO (ajouter des plugins ou des logiciels libres d’accès comme le maillage et la lattice 2D) ;

• une connaissance de l’erreur liée à la simulation ;

• un bon niveau en CAO surfacique.

Les autres logiciels utilisés pour les essais permettent de :

• vérifier la simulation en début et en fin de procédure ;

• gérer la forme du maillage / du STL ;

• créer des lattice 2D en surfacique ;

• faire de la rétroconception (passage du maillage aux surfaces NURBS).

Perspectives

L’optimisation topologique offre la possibilité de proposer plusieurs formes pour la même pièce, en faisant varier les hypothèses de simulation ou d’industrialisation, ce qui peut être appelé « CAO générative ». Elle permet aux concepteurs d’obtenir un large (ou faible) panel de formes. Elle permettra d’alléger les pièces, élément très important dans des domaines comme l’aéronautique ou le spatial, et donc de diminuer le coût.

La fabrication additive transforme le monde de la construction mécanique. Les logiciels évoluent très vite par absorption ou par addition. Il reste à définir les nouvelles procédures de conception et mettre l’accent sur la formation des acteurs techniques. Think big, start small, move fast : « Voyez grand, démarrez petit, testez dès maintenant ».

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