Conception et Optimisation de Forme pour la Fabrication Additive
Contexte
Sur le plan national, dans le cadre du programme « Industrie du Futur » (phase 2 de la « Nouvelle France Industrielle »), l’un des axes soutenus porte sur le développement de l’offre technologique. La fabrication additive est l’une des trois technologies prioritaires identifiées pour la mutation vers l’industrie de demain.
Les particularités de ce procédé émergeant offrent un nouvel espace des possibles pour les concepteurs. En effet, le procédé ALM a pour spécificités d’une part de s’appuyer sur un processus numérique performant, et, d’autre part d’offrir de nouvelles perspectives pour la réalisation de pièces complexes irréalisables jusqu’à présent par des procédés classiques. L’ALM permet la création de géométries complexes, de structures résistantes et de motifs structuraux multi-échelles (on emploiera le mot lattice, terme anglais habituellement utilisé pour définir une structure de type treillis). L’ALM permet aussi la réalisation de pièces multimatériaux soit de manière continue (matériaux à gradient de propriété) soit de manière discontinue (empilement de zones mono-matériau). Pour ces raisons, le gain potentiel en coût, masse, performance fonctionnelle et réalisation est considérable en comparaison des possibilités qu’offrent les procédés classiques dits soustractifs.
Néanmoins, un certain nombre d’inconvénients est lié à l’utilisation de ces technologies. Tout d’abord de nombreux défauts (état de surface, porosités, défauts de forme, etc.) peuvent apparaître sur les pièces fabriquées via les différents procédés ALM, et il n’existe pas de procédure standard pour qualifier les performances mécaniques des pièces fabriquées aussi bien dans le domaine de la résistance (robustesse) que celui de l’endurance (fatigue, durée de vie, vieillissement, etc.).
La conception a pour objectif de proposer un produit répondant à différentes exigences issues du besoin d’un client et de la nécessité d’être fabriqué à un cout raisonnable. Pour cela, les concepteurs vont alterner des phases de synthèse pendant lesquelles ils vont proposer et modéliser des formes qu’ils pensent en adéquation avec les exigences, et des phases d’analyse pendant lesquelles ils vont vérifier cette adéquation. Dans le cas de la fabrication additive, la conception d’une pièce ou ou d’un système nécessite donc des méthodes et des outils permettant une prise en compte au plus tôt, d’une part des nouvelles possibilités offertes par ces technologies, et d’autre part de leurs limites propres en termes de fabricabilité. Ces outils et méthodes doivent supporter aussi bien les phases de synthèse que les phases d’analyse.
Au cours des dernières années, les éditeurs d’outils de conception et de simulation ont fait évoluer leur offre pour tenter de couvrir ce besoin. Cependant, les concepteurs peuvent se trouver démunis face d’une part à des offres logicielles complexes (optimisation topologique, simulation numérique), et, d’autre part face à une évolution indispensable des méthodologies de conception autour de ces outils. En effet, l’optimisation des structures doit prendre en compte dès les phases initiales du processus les contraintes technologiques liées au procédé ALM et traiter des aspects multi-physiques et multi-échelles pouvant caractériser le comportement de certains produits (exemple des structures lattice).
Objectifs et enjeux scientifiques
L’objectif du projet COFFA est double:
assister le concepteur tout le long de la chaîne numérique de l’ALM ;
fournir des modèles numériques/CAO interactifs donnant la réponse physique du produit en quasi-temps réel.
COFFA vise donc à faciliter le travail du concepteur lors des différentes étapes de la chaîne numérique de l’ALM, et de réduire ainsi le temps nécessaire à chacune d’elles.
Ces deux objectifs ambitieux seront réalisés par l’intermédiaire des développements suivants :
la mise en place d’une démarche et d’outils pertinents visant à intégrer le concepteur (son expertise et son point de vue) durant toute phase de la chaîne numérique de l’ALM ;
le développement d’une nouvelle représentation mathématique de formes complexes (opportunément paramétrées directement dans l’environnement CAO) qui sera interfacée avec l’outil d’optimisation topologique ;
l’intégration des contraintes de fabricabilité dès la phase d’optimisation topologique ;
l’intégration des aspects multi-échelle et de l’anisotropie du matériau (liée au procédé ALM) dans la stratégie d’optimisation topologique hybride basée sur les NURBS ;
l’intégration d’un outil de reconstruction surfacique automatique (ou semi-automatique) afin de minimiser le temps consacré à cette étape;
le développement d’un modèle réduit (ou méta-modèle) basée sur des hyper-surfaces NURBS pouvant s’interfacer facilement aussi bien avec l’algorithme hybride d’optimisation topologique développé dans le cadre du projet FUTURPROD qu’avec les logiciels CAO du commerce et donnant (avec un bon niveau de précision et confiance) la réponse physique (mécanique, thermique, etc.) de la structure en quasi temps réel.
Ceci permettra d’une part de redéfinir la place du concepteur dans la cadre de la chaîne numérique de l’ALM, et d’autre part de minimiser le nombre d’aller-retour parmi les différentes étapes, donc les temps et les couts associés.
Les livrables de ce projet consisteront en une méthodologie de conception adaptée à l’ALM (méthode COFFA) permettant de converger vers une conception optimale dans un temps réduit et en une maquette informatique générale pouvant s’appliquer à des cas d’intérêt industriel.
Financement
Projet PRC financé par l’ANR (début novembre 2017).
