Magazine Mercredi 21 mars 2018 - 08:00

Le rôle clé des logiciels dans le processus de fabrication additive

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Conception, simulation, optimisation topologique, impression, les logiciels sont au cœur du processus de fabrication additive. En réalité, ils en sont même le point de départ. Le software a été entraîné par l’avancée technologique du hardware. Du paysage actuel des logiciels aux applications spécifiques, retour sur le rôle clé des logiciels.

Les technologies de fabrication additive se sont développées et installées dans presque tous les secteurs industriels, améliorant également, en profondeur, leur structure informatique et logicielle. L’amélioration de la puissance de calcul, la réduction des coûts de stockage de masse et des systèmes cloud plus puissants ont ouvert la voie au traitement de grandes quantités de données, notamment pour la conception assistée par ordinateur (CAO), première étape dans le processus de fabrication additive (figure 1).

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Au départ, un modèle 3D

Le fichier CAO, basé sur un modèle 3D, est la phase de démarrage, commune à tous les processus de fabrication additive. Il offre la possibilité d’une personnalisation de masse, c’est-à-dire qu’un seul produit peut être fabriqué en faible quantité, mais à un prix rentable. Au cours des trois dernières décennies, le format de fichier STL (STereo-Lithography), créé par la société 3D Systems, a été le standard de l’industrie pour le transfert d’informations entre les programmes de conception et les équipements de fabrication additive. Cependant, ce format STL ne peut décrire que la géométrie de surface d’un objet tridimensionnel, sans aucune représentation de la couleur, de la texture ou d’autres attributs. Depuis 2012, un nouveau format, AMF (Additive Manufacturing File), a été développé pour surmonter les limites du STL.

Les solutions logicielles peuvent être divisées en « logiciels système » et en « logiciels CAO », c’est-à-dire de conception, même si d’autres logiciels tels que GOM sont utilisés pour la numérisation 3D et la mesure. SolidWorks, de Dassault Systèmes, est l’un des principaux logiciels de CAO pour la fabrication additive. Il est utilisé pour la conception de produits, mais aussi pour la conception de moules d’injection. SolidWorks englobe des fonctionnalités telles que la création et l’analyse de moules, à une ou plusieurs cavités. De nombreux autres acteurs existent tels que Altair, qui a développé un logiciel utilisé pour l’optimisation et la re-conception, mais aussi 3DRPD, CA Models ou encore I2M. On trouve également d’autres logiciels plus spécialisés, notamment pour la simulation, comme Moldex3D. Il est par exemple utilisé comme outil de conception de refroidissement conforme pour les concepteurs de pièces de moulage par injection plastique utilisant des moules additifs pour la production de pièces.

Aujourd’hui, les fabricants d’imprimantes 3D veillent à ce que leurs machines s’appliquent aux pilotes standard Windows (actuellement 8.1). Les logiciels conçus au format STL sont alors exportés vers l’imprimante, mais une fonctionnalité supplémentaire est requise pour assurer l’orientation et la position dans la chambre, la configuration des paramètres de structure laser et de support, ainsi que les modalités de post-traitement. C'est là que le logiciel système intervient ! Il représente l’interface entre les utilisateurs et l’imprimante 3D. Materialise possède un quasi-monopole sur le marché européen des logiciels avec Magic. Celui-ci reste cependant concurrencé par les logiciels‑3S de Stratasys, SolidView, GrabCAD ou encore Netfabb.

Panorama des solutions logicielles

Il existe plus de vingt-cinq solutions logicielles pour la fabrication additive, qui sont utilisées pour différentes applications au long du processus de fabrication. La figure 2 présente ce processus de manière simplifiée.

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Modélisation du design

Créer ou modifier des conceptions 3D sur fichier nécessite l'utilisation de logiciels spécifiques. La majorité des conceptions sont réalisées dans des logiciels de CAO, comme SolidWorks, Catia et Ansys SpaceClaim. Les entreprises – qui ne sont pas nécessairement impliquées dans la fabrication additive – utilisent ces logiciels pour la conception et la finalisation de projets, à la fois dans la fabrication additive mais aussi traditionnelle. Les éditeurs de logiciels sont donc des fournisseurs centraux sur le marché, structurés autour d’acteurs dominants tels que Dassault, Siemens PLM, Autodesk et Materialise. Les acteurs à ce niveau de la chaîne de valeur sont généralement des sociétés de logiciels CAO traditionnelles qui ont étendu leurs activités à la fabrication additive, prolongement naturel de leurs activités. Le logiciel SolidWorks de Dassault Systèmes est largement utilisé, ainsi que Protoshop. Ces logiciels ont la particularité d’être génériques et s’appliquent donc à un large éventail de secteurs, y compris l’aéronautique ou le médical. Ils permettent des numérisations mais aussi des conceptions partant de zéro. Ils incluent également des interfaces avec des scanners 3D et des possibilités de navigation pertinentes permettant de visualiser, de sculpter, etc. Les pilotes des imprimantes 3D sont intégrés dans ces logiciels et restent compatibles avec la plupart des machines selon les standards existants (par exemple sous Windows 8.1). Une comparaison des différents logiciels de CAO est utile pour avoir une vision de ce que le marché offre actuellement.

Logiciel d’impression

En cas de fabrication interne (et donc sans utilisation de services de fabrication additive externes), une fois le fichier CAO finalisé, il est nécessaire que l’ordinateur dialogue efficacement avec l’imprimante. Les problèmes commencent généralement à cette étape-là. C’est l’un des moments les plus délicats de la chaîne de valeur de fabrication additive, durant laquelle la température, le positionnement de conception, les supports et les caractéristiques des matériaux créent la « magie » de l'impression 3D.

La majorité des fabricants fournissent des logiciels associés à leurs machines. D’autres logiciels autonomes existent, comme Magics, développé par Materialise. Celui-ci est une solution très courante pour la fabrication additive par stéréolithographie (SLA) et l’impression de poudre métallique.

Lorsqu’un fichier CAO doit être amélioré, modifié ou bien réparé, un logiciel de réparation géométrique est nécessaire. Geomagic Design X est l’un des logiciels d’ingénierie les plus complets de l’industrie. Il associe la CAO au traitement des données de numérisation 3D pour créer des modèles solides compatibles avec les logiciels de CAO existants. Ansys SpaceClaim dispose également d’une solution de réparation puissante.

Optimisation topologique

L’optimisation topologique est l’une des applications les plus étonnantes qu’offre la fabrication additive. Elle permet, par exemple, de créer de nouveaux objets, similaires à l’original, mais en réduisant son poids, en limitant l’utilisation de matières premières ou en optimisant l’efficacité du produit final. Elle offre aux entreprises la possibilité de réaliser des pièces dont la géométrie serait impossible en utilisant des techniques de fabrication traditionnelle. La capacité d’apporter une analyse préliminaire dans le cycle de conception est cruciale, en particulier pour les applications de haute performance, comme dans le secteur de l’aérospatiale. L’optimisation topologique est donc une approche de conception puissante, qui permet de créer des formes optimales et ainsi d’obtenir les performances fonctionnelles souhaitées.

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Simulation du processus

L’un des défis actuels pour les entreprises est d’imprimer directement à partir de données CAO des pièces qui soient à la fois de la meilleure qualité possible et reproductibles. Dans cette optique, les logiciels de simulation pour l’impression 3D, qui modélisent des processus d’impression proches de la réalité, peuvent se révéler très utiles. Il s’agit d’une approche pour optimiser les processus de fabrication additive et les rendre plus efficaces. Tout en permettant d’optimiser les pièces, la simulation offre également des informations rapides et économiques sur la manière dont le processus d’impression réagira, sur les positionnements sur le plateau de fabrication et sur les paramètres de la machine. En utilisant un outil de modélisation et de simulation, les ingénieurs peuvent prédire avec précision le comportement du matériau et les propriétés des pièces imprimées en 3D. Ils peuvent :

  • évaluer les résultats du processus d’impression 3D pour anticiper le comportement du matériau de la pièce imprimée ;
  • analyser les variations de propriétés, telles que l’orientation, le volume et la direction d’impression afin notamment d’optimiser le processus d’impression ;
  • obtenir une description précise du comportement du matériau et des mécanismes de défaillance ;
  • éviter de produire des pièces qui ne répondent pas aux exigences, en tenant compte des effets du processus d’impression 3D ;
  • explorer les effets de la fabrication et leurs comportements.

Les entreprises qui intègrent la modélisation, la simulation et la gestion du cycle de vie dans leurs processus de fabrication additive bénéficient d’une amélioration de la qualité du produit final, ainsi que d'une réduction des coûts et du temps de production grâce à un ensemble de process standardisés.

Des applications spécifiques : le médical et l'aéronautique

Les applications médicales

Le domaine médical recourt depuis longtemps aux logiciels d'impression 3D. Le CT (tomodensitométrie) est utilisé pour la reconstruction des structures osseuses. La tomographie à faisceau conique (CBCT) est efficace pour l’imagerie dans le domaine dentaire ainsi que l’imagerie par résonance magnétique (IRM) – notamment pour les structures des tissus mous, les organes solides et les structures vasculaires. Elle est également appliquée pour la modélisation médicale. Les sociétés de numérisation 3D, comme Polyworks, Mimics (Materialise) ou Osirix (Open Source), sont très actives à ce niveau.

La plupart des technologies d’imagerie médicale sont utilisées pour la modélisation. Pour gérer efficacement et avec précision les données d’imagerie médicale, un logiciel spécialisé, permettant d’interpréter différents formats puis de les exporter, est nécessaire. L’exportation de ces données médicales vers un format de processus additif approprié est cruciale pour l’exactitude du processus. Plusieurs logiciels fournissent des outils pour la transformation au format STL.

Actuellement, le format le plus commun pour l’imagerie médicale est la norme open source « Digital imaging and communication medecine 3.0 » (DICOM). Utilisée notamment en radiologie médicale, cette norme peut être comparé au format JPG en photographie. Les principales tâches dans le domaine du traitement des imageries médicales pour la fabrication additive sont l’importation d’images médicales, le seuillage d’images, l’édition de tranches / volumes, la croissance de régions et, enfin, la génération de fichiers STL.

Les logiciels les plus utilisés pour le traitement d’images médicales sont Analyze d’Analyze Direct, AnatomicsRX d’Anatomics, Amira de FEI, Arnett FAB Software de Neomotec, Biomesh3D de l'university de Utah, D2P de 3D Systems, Dolphin 3D Surgery de Dolphin, F.A.S.T. de Fovia, iNtiotion de TeraRecon, Mimics de Materialise, OsiriX MD de Pixmeo, Ossa3D de Conceptualiz, Slice de Brigham & Women’s Hosp et Vitrea de Vital Images/Toshiba.

Applications chirurgicales

La société 3D Systems s’implique dans la recherche chirurgicale depuis près de deux décennies. Ses chercheurs souhaitent construire un fil numérique personnalisé, offrant une technologie d’impression 3D centrée sur la santé et la visualisation 3D. Ses outils chirurgicaux numériques comprennent des modèles anatomiques imprimés en 3D, des simulateurs de réalité virtuelle, plusieurs instrumentations au nombre desquelles un système d'impression métallique pour implants, ainsi que des guides chirurgicaux personnalisés imprimés en 3D.

« Une grande précision dans la planification et l’exécution des interventions chirurgicales est importante pour assurer un taux de réussite élevé, sans causer de dommages iatrogènes. Cela peut se réaliser par tomographie assistée par ordinateur, grâce à des logiciels de planification d’implant 3D et des techniques de production de gabarit guidées par l’imagerie et assistée par ordinateur », expliquent Ramasamy M., Giri, Raja R., Subramonian, Karthik et Narendrakumar R. dans le Journal of Pharmacy & Bioallied Sciences.

Applications d’implants orthopédiques

Il existe différents types d’implants déjà fréquemment conçus par fabrication additive‑: implants de hanche, de genou ou encore d’épaule. L’un des principaux avantages de cette technologie est la possibilité de produire des structures complexes tout en les personnalisant. La personnalisation est une donnée extrêmement importante en orthopédie, qui permet notamment aux chirurgiens d'éviter les greffes osseuses ou l'utilisation de scalpels et de forets pour adapter l'implant. La personnalisation des implants grâce à la fabrication additive permet également une plus grande compétitivité en termes de coûts, par rapport aux implants produits par la fabrication traditionnelle. Différentes entreprises ciblent ce marché des implants sur mesure, notamment la société Mobelife, qui utilise les logiciels Mimics et 3-matic de Materialise.

Les applications dans l’aéronautique

Les fournisseurs de services comme Altair collaborent étroitement avec le secteur aéronautique qui s'intéressé à la technologie de fabrication additive pour plusieurs raisons, en particulier :

  • l’optimisation technologique qui permet de réduire le poids des pièces­;
  • le Composite Design qui, en plus de développer des structures légères et performantes, permet de synthétiser et de modéliser rapidement des concepts, ainsi que de prédire avec précision les dommages causés par des chocs, des défaillances techniques, la délamination, la rupture ou la propagation de fissures ;
  • la simulation et l’analyse avancées qui facilitent les tests virtuels prédictifs, par exemple pour les ailes, les moteurs et les intérieurs d’avions.

Les principaux logiciels de CAO dans le secteur aéronautique sont Simpleware, les logiciels Materialise, WithinLabs, NSPI, Hyperworks et OptiStruct. Les logiciels de CAO habituels dominent encore le marché, comme OptiStruct et PolyWorks d’Altair, mais aussi les logiciels SolidWorks et Catia de Dassault ou AutoCAD d’Autodesk. De nombreuses entreprises (fabricants de machines mais aussi prestataires de services) essaient par ailleurs de développer leurs propres solutions logicielles, que ce soit sur le plan systémique ou sur des aspects particuliers de la conception ou de l’interface (par exemple le positionnement des composants dans la chambre).

Airbus est engagé avec Altair pour l’optimisation de pièces aéronautiques. Leurs travaux ont permis de réaliser des supports, en fabrication additive, de 326 g contre 918 g par techniques soustractives, soit un gain de poids de 64 %. La conception CAO et l’optimisation topologique sur le logiciel HyperWorks ont joué un rôle crucial pour l’optimisation de ce composant structurel.

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Optimisation de supports de charnière de nacelles par EOS pour Airbus

Siemens utilise également la fabrication additive dans l’aéronautique, entre autres domaines. La société conçoit des bouts de brûleur pour les turbines à gaz et des accoudoirs pour les tramways exploités par la Deutsche Bahn. Elle travaille également avec le fabricant de pièces d’avion Strata, dans le cadre d’un partenariat à long terme avec les Émirats arabes unis : Siemens imprime les premiers composants des avions Etihad ; en plus de travailler ensemble sur des parties intérieures, notamment les écrans de surveillance, les deux sociétés prévoient d’imprimer une partie extérieure métallique.

Contenu Encadré

Mimics pour les implants crâniens CEIT

Le CEIT Biomedical Engineering, issu de l’Université technique de Košice, en Slovaquie, effectue des recherches approfondies sur les implants crâniens personnalisés, à faible coût. Il a obtenu l’approbation de l’Union européenne pour son procédé d’impression d’implants. Le CEIT Biomedical Engineering a utilisé la suite logicielle Mimics® pour convertir les scans médicaux des patients en modèles 3D. Le logiciel a été utilisé pour créer un implant parfaitement adapté à l’anatomie du patient. Cet ajustement précis est extrêmement important pour le succès de l’opération et le confort du patient à long terme. La plaque résultante a été exportée pour l'impression 3D par laser direct de métal dans un alliage de titane biocompatible.

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