Dossier paru dans le numéro de juillet/août 2022 de 3D ADEPT Mag, puis publié en ligne en décembre 2022. Les fonctions, logiciels et exemples présentés sont ceux de cette période.
Combien de fois avez-vous vu le mot “allègement” utilisé à côté de “fabrication additive” ? Si on va au-delà du buzz que cette combinaison de mots pourrait créer, on se rend compte que ce concept de fabrication implique des équations de valeur pour des types de pièces spécifiques, ce qui peut conduire à des améliorations sur des produits existants, à de nouveaux modèles commerciaux et à de nouveaux marchés.
“Faire plus, avec moins” a toujours été (et, d’une certaine manière, reste) l’objectif principal de l’allègement – un concept de fabrication qui exige de tirer parti d’un large éventail de méthodes pour que les pièces et produits industriels soient plus légers tout en conservant ou en améliorant leurs caractéristiques techniques et mécaniques.
L’aéronautique et le spatial sont des domaines où la masse influence fortement la conception. Réduire celle d’un avion peut diminuer sa consommation, tandis que gagner de la place dans un satellite peut libérer de la capacité pour d’autres équipements. Une masse ou une taille réduite ne garantit toutefois pas, à elle seule, une durée de mission plus longue. Ces compromis concernent aussi de nombreuses applications industrielles.
L’article ci-dessous a pour but de comprendre les bases entourant « l’allègement des pièces fabriquées de manière additive ». En mettant l’accent sur la perspective du logiciel, l’article discute des facteurs décisifs qui conduisent à l’allègement des pièces, ainsi que quelques stratégies logicielles qui peuvent être explorées dans ce processus.
Les facteurs décisifs qui peuvent conduire à l’allègement des pièces
Notons que l’allègement est avant tout souvent compris comme le retrait de matière d’un assemblage ou d’une pièce pour en réduire le poids. En théorie, c’est exactement ce qui se passe. C’est aussi la raison pour laquelle, l’accent est généralement mis sur la “réduction des matériaux” et/ou le remplacement de certains matériaux par d’autres matériaux plus légers ou pouvant apporter des gains supplémentaires.
« Il est possible de réduire le poids global d’une pièce en choisissant des matériaux ayant une résistance spécifique plus élevée. Par exemple, si nous comparons un acier inoxydable, un alliage d’aluminium et un alliage de titane, la résistance spécifique plus élevée de l’alliage de titane permettra d’utiliser moins de matériau pour atteindre le même niveau de performance », note Rhushik MATROJA, CEO et cofondateur de la société de logiciels Cognitive Design Systems.
La résistance spécifique désigne une résistance rapportée à la masse volumique. La comparaison dépend de la nuance, de l’état métallurgique et du critère dimensionnant : rigidité, fatigue, flambage ou température peuvent limiter le gain obtenu. Le titane n’est pas automatiquement le meilleur choix pour toute pièce.
La conception doit donc relier le choix du matériau aux charges et aux contraintes de fabrication. Moins de matière peut réduire la masse sans forcément raccourcir l’impression : orientation, supports et complexité du parcours comptent aussi.
Cette nécessité de réduire le poids en utilisant le bon matériau est souvent abordée parallèlement à un autre problème urgent : les déchets. S’il suscite de plus en plus de questions sur le caractère durable du processus de production, il soulève également un certain nombre de défis qui méritent d’être pris en compte au niveau de la conception. C’est en tout cas ce qu’explique Rhushik MATROJA :
« Étant donné que l’allègement de toute structure aura un impact direct sur la performance mécanique de la pièce, il doit être effectué en gardant à l’esprit la performance mécanique du matériau.
La fabricabilité est l’un des facteurs les plus influents de l’allègement. On peut avoir la conception théorique la plus légère et la plus performante, mais cette conception devient inutile si elle n’est pas fabricable.
Un autre facteur important est le coût de la pièce. Si la pièce allégée à l’aide de l’optimisation topologique n’est pas bien conçue, il y aura des coûts supplémentaires pour la suppression des structures de support excessives et pour le traitement de surface supplémentaire. D’autre part, l’impression de structures en treillis et de structures TPMS peut augmenter le temps d’impression, ce qui entraîne une augmentation du prix de la pièce. »
Les stratégies logicielles au cœur de l’allègement
L’allègement ne naît pas avec la FA. Les outils de simulation, d’optimisation et de génération de géométries permettent d’explorer plus systématiquement des architectures adaptées aux contraintes de fabrication.
L’une des premières stratégies logicielles souvent explorées à ce niveau est l’optimisation de la topologie. La capacité d’optimiser la topologie des pièces en fonction d’objectifs de rigidité ou de résistance basés sur les méthodes des éléments finis (FEM) permet de concevoir des pièces légères de manière ciblée. Cette stratégie de conception optimise la disposition des matériaux dans un espace de conception donné, pour un ensemble donné de charges, de conditions limites et de contraintes.
L’utilisation de structures de remplissage en treillis ou TPMS est une autre méthode intéressante à explorer. Il s’agit d’hybrides de matériaux solides et d’espaces vides qui sont créés de telle sorte qu’ils dictent les propriétés mécaniques. L’utilisation de structures en treillis intelligentes peut aider à explorer des propriétés thermomécaniques intéressantes. « Les connaissances sur les performances de ce type de structures sont très importantes. Des processus de conception et de simulation sont nécessaires pour obtenir des informations sur les performances. Cognitive Design Systems a créé une grande base de données de ces méta-matériaux avec leurs propriétés mécaniques. Notre outil “Infill Optimizer”, qui fait partie de notre logiciel de FA “Cognitive Additive”, place intelligemment ces structures en fonction de la trajectoire des contraintes afin de réduire le poids total sans diminuer les performances mécaniques », explique Matroja.
TPMS désigne des surfaces minimales triplement périodiques. Les performances dépendent de la cellule, de sa densité, du matériau et du procédé ; le résultat simulé doit être confronté aux essais et aux contraintes de nettoyage ou d’inspection.
Selon Matroja, l’optimisation de la topologie convient généralement mieux aux technologies à base de poudre/résine, tandis que la stratégie de remplissage fonctionne mieux pour les procédés FFF ou DED.
Ce repère proposé par l’intervenant n’est pas une règle exclusive : treillis, remplissages et optimisation topologique peuvent être combinés, si la géométrie et les capacités de fabrication le permettent.
La consolidation des pièces est une stratégie qui nécessite une expertise et une capacité solides pour rassembler plusieurs pièces en une seule. Si elle est bien conçue, la pièce peut offrir une meilleure fonctionnalité. Il y a quelques années, par exemple, Airbus Defence and Space et 3D Systems ont mis au point le premier filtre radiofréquence (RF) imprimé en métal, testé et validé pour une utilisation dans des satellites de télécommunication commerciaux. Les filtres RF sont traditionnellement conçus à l’aide d’éléments standard tels que des cavités rectangulaires et des sections de guide d’ondes avec des coudes perpendiculaires, avec des formes et des connexions dictées par des processus standard tels que le fraisage et l’érosion par étincelage. Généralement, les cavités des filtres RF sont produites en usinant deux moitiés qui sont boulonnées ensemble, ce qui augmente le poids, ajoute des étapes d’assemblage et des contrôles de qualité supplémentaires. À l’aide du logiciel CST MWS, un outil de simulation électromagnétique en 3D, l’équipe de 3D Systems a développé une cavité super-ellipsoïdale déprimée pour canaliser les courants RF et rejeter les signaux hors bande. La conception a donné la priorité à la fonction tout en tenant compte du procédé retenu, et a abouti à une pièce à construction unique plus rapide à produire, avec des coûts de production réduits et une réduction de masse de 50 %.
L’étude de cas de 3D Systems attribue les 50 % à la réduction de masse par rapport à la conception précédente, et non à une baisse chiffrée identique des coûts. Ce résultat est propre au filtre étudié.
Le nervurage conforme (conformal ribbing) ajoute des renforts suivant les surfaces d’une pièce pour permettre, selon le dimensionnement, des parois plus fines tout en maîtrisant le flambage. nTopology présente cette stratégie parmi plusieurs techniques d’allègement.
Les outils de conception générative et, pour certains, d’intelligence artificielle peuvent explorer des géométries à partir de contraintes définies par l’ingénieur. Ils ne garantissent pas automatiquement la fabricabilité ou les performances : préparation, simulation, essais et validation du procédé restent nécessaires.
Réflexions finales
L’intérêt de ces stratégies est de comparer plusieurs solutions sous les mêmes charges et exigences, puis de vérifier le bénéfice sur la pièce et son cycle de vie. Une géométrie plus légère n’est pertinente que si elle remplit sa fonction, peut être fabriquée et contrôlée, et présente un compromis acceptable entre coût, durée de vie et maintenance.
Cet article a été initialement publié dans le numéro de juillet/août 2022 de 3D ADEPT Mag.
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