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Projet OptiFabAdd – L’optimisation topologique au service de la fabrication additive

Projet OptiFabAdd – L’optimisation topologique au service de la fabrication additive

by Gaëtan Lefèvre12 avril 2016
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OptiFabAdd est un projet de R&D dont l’objectif est de coupler l’optimisation topologique à la fabrication additive. Le but de ce projet est, à long terme, de développer un système intégré qui permettra d’optimiser une pièce et ses éventuels supports dans le contexte de la fabrication additive.

Par Nicolas Gardan, responsable centre R&D DINCCS de MICADO.

 

La première étape du projet a été une étude de faisabilité. Soutenue par Bpifrance, cette phase a débouché sur un démonstrateur de cet outil permettant de valider les concepts et de définir le cahier des charges du développement du logiciel. Un travail important sur la connaissance en optimisation topologique et en fabrication additive a été nécessaire. Le mariage entre la fabrication additive et l’optimisation topologique est extrêmement prometteur sur de nombreux points.

  • La possibilité de minimiser le volume de matière utilisé que ce soit pour la matière ou le support. Le gain peut être très important, par exemple, sur des pièces en acier, notamment pour gérer des problèmes de masse.
  • La fabrication d’une pièce respectant un cahier des charges de tenue mécanique. Dans le cas d’une non disponibilité du comportement de la pièce, l’objectif est de tester sa tenue à son propre poids tout en respectant le critère de minimisation cité précédemment.
  • Les libertés de formes fabricables grâce au procédé de couche par couche permettent d’imprimer directement les formes proposées par l’optimisation topologique. Une réadaptation du modèle n’est ainsi plus nécessaire si les contraintes métiers sont bien intégrées.

Le caractère innovant repose sur la possibilité de marier les deux technologies que sont l’optimisation topologique (ou des algorithmes spécifiques dédiés au métier de la fabrication additive) et la fabrication additive. Ainsi, la modélisation de la connaissance dédiée à la fabrication additive pour l’optimisation topologique est également une innovation. Un autre point innovant est apporté par l’utilisation de la méthodologie développée pour alléger les pièces, en optimisant l’intérieur des modèles tout en gardant leur aspect extérieur. Cette technique d’optimisation pourra ainsi remplacer les formes répétitives non contextuelles utilisées classiquement pour l’allègement en fabrication additive comme les formes en nid d’abeille par exemple. L’exemple de la figure 1 présente un cas PME traité par le centre R&D DINCCS de MICADO sur l’optimisation topologique d’un tambour en plastique pour la fabrication additive.

Tambour plastique optimisation topologique A3DM Magazine

L’optimisation de formes

Les ingénieurs sont amenés à intégrer l’optimisation de formes de structures mécaniques dans leur démarche de conception dès les phases amont. Cette nouvelle démarche doit intégrer, dès le début de la conception, les exigences du cahier des charges comme les contraintes de fabrication, les performances thermomécaniques, les exigences de poids et de coût, etc., en accord avec tous les acteurs du projet. Par cette méthode de travail liée au développement des algorithmes mathématiques de résolution des problèmes d’optimisation de structures, on reproduit « de façon automatique grâce à des logiciels de modélisation numérique et d’optimisation ce qu’un concepteur réalise de manière manuelle, en y ajoutant de nombreux avantages »1 :

  • possibilité de balayer un espace de conception plus large ;
  • possibilité de réaliser des calculs automatiques ;
  • possibilité de mettre en place des plans d’expériences et de créer ainsi des fonctions d’approximation si besoin ;
  • possibilité d’atteindre un optimum grâce à des algorithmes de plus en plus performants.

Dans le cas de l’optimisation de formes de structures mécaniques, les variables concernées sont les formes des structures elles-mêmes. Cette optimisation est plus compliquée que celle, traditionnelle, où les variables peuvent être les propriétés des matériaux. Nous distinguons trois grandes catégories d’optimisation de formes de structures en mécanique2,3.

  • L’optimisation de formes paramétriques où les formes sont paramétrées par un nombre réduit de variables (par exemple, une épaisseur, un diamètre, des dimensions). Cette catégorie d’optimisation ne permet pas l’exploration d’autres formes possibles ou admissibles mais elle permet de trouver (de calculer) les dimensions optimales des formes paramétrées (formes existantes dans le modèle).
  • L’optimisation de formes géométrique où, à partir d’une forme initiale, on varie la position des frontières de la forme. Cette optimisation grâce à la variation des frontières permet de trouver les contours optimisés pour les structures sans changer leur topologie initiale, c’est-à-dire le nombre de trous en deux dimensions.
  • L’optimisation de formes topologiques où l’on cherche, sans aucune restriction explicite ou implicite, la meilleure forme possible quitte à changer de topologie.

Fabrication de pièces métalliques

Il existe de nombreuses technologies de fabrication additive. Notre objectif n’est pas de toutes les traiter dans le cadre du projet mais principalement celles qui permettent la fabrication de pièces en acier à partir d’un lit de poudre, soit les procédés SLS, EBM, etc. Le gain de masse grâce à l’optimisation peut être important. La méthode peut également être applicable pour les technologies plastiques poudre ou nettoyables grâce à un jet d’eau. Il existe, globalement, deux manières d’intégrer l’optimisation topologique à la fabrication additive.

  • La pièce est intégralement optimisée. Seules les fonctions qui contraignent la pièce sont conservées.
  • La peau extérieure (ou une partie) de la pièce est fonctionnelle et ne peut pas être modifiée.

Notre objectif principal dans le cadre d’OptiFabAdd est de travailler sur l’optimisation de l’intérieur des pièces et des supports pour gagner en masse globale et en matière utilisée. La méthodologie globale consiste à intégrer la connaissance liée à la technologie de fabrication additive à l’outil d’optimisation topologique et à l’outil CAO (pour préparer le modèle au calcul d’optimisation topologique).

Nous avons identifié trois grands facteurs sur les lesquels nous sommes en cours de travaux :

  • l’épaisseur minimale imprimable et nettoyable sans détériorer la pièce ;
  • le diamètre minimum imprimable et nettoyable, l’objectif étant de pouvoir concevoir des canaux d’évacuation de la matière (comme la poudre emprisonnée dans des cavités) ;
  • et la hauteur maximum acceptable pour éviter des affaissements de la matière.

Pour trouver ces dimensions, une approche par les features a été développée en modélisant diverses formes qui ont été fabriquées sur deux types de machine : une SLS (DTM) pour l’acier et une impression UV (Eden 250) pour le plastique. Le choix a été fait afin de tester deux types d’évacuation de la matière inutile : poudre pour la SLS et nettoyage par jet d’eau pour l’impression UV.

La figure 2 montre des exemples de formes géométriques imprimées. Une approche par les features a été développée avec la mise en place de plans d’expériences (voir détail ci-dessous) pour tester notamment l’influence du laser, l’épaisseur et la hauteur des parois, l’influence de l’orientation de la fabrication, etc. Les features testées sont des poches, des trous, des extrusions et des nervures.

Formes geometriques laser A3DM Magazine

Plusieurs cas industriels ont été menés selon l’approche développée dans OptiFabAdd. L’exemple de la figure 3 présente par exemple l’optimisation de l’intérieur d’une prothèse de hanche permettant un gain de matière de 40 % pour une impression en titane. Le modèle intègre des canaux d’évacuation de la poudre. Pour des raisons de confidentialité, les copies d’écran ne présentent qu’un seul cas de charge testé. D’autres formes confidentielles ont ainsi été définies dans le cadre du projet.

Optimisation prothese de hanche A3DM Magazine

Formation et partenariat

Le projet OptiFabAdd est en cours d’évolution sur deux axes.

  • Un axe « formation » sur le thème de la conception pour la fabrication additive. Il est d’ores et déjà intégré au projet SIMUL-PME, qui est un projet PIA sur la formation, la qualification et la certification des ingénieurs calculs (porté par MICADO).
  • Un axe « projet collaboratif » sur la liaison optimisation topologique (dont le développement de nouvelles méthodes d’optimisation) – fabrication additive. Le partenariat sur ce sujet est en cours de mise en place avec plusieurs déclarations d’intérêt déjà établies, notamment avec EnginSoft, CoreTechnologie et Siemens.

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Sources

1 – Allaire G., Aubry S., Bonnetier E., Jouve F., Optimisation topologique de structures par homogénéisation, 1998. http://www.cmap.polytechnique.fr/~allaire/cray_plaq.html.

2 – Allaire G., Introduction à l’optimisation des structures, cours de conception optimale de structures, 2010.

3 – Kwassi, Elvis Daakpo. Proposition d’une méthodologie pour l’optimisation de formes structures mécaniques, thèse centre R&D DINCCS de MICADO, université de Reims Champagne-Ardenne, 2012. http://www.theses.fr/2012REIMS007.

Crédit photos Micado

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Gaëtan Lefèvre

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