L’optimisation topologique à la portée de tout concepteur ?

Christine

MOULLET 

TFL Solutions

Christine MOULLET
Référent Optimisation Topologique pour F3DF
Passionnée par les outils numériques qui transforment la R&D d’une entreprise, j’ai pris part à chaque étape de l’évolution de la CAO 3D depuis 1984. Consultante pour divers acteurs de Rhône Alpes et Suisse, j’accompagne les développements de produits mécaniques autour de logiciels de CAO, Simulation, PLM et FAO. Ma préoccupation première est la qualité et l’efficacité des données techniques conçues.
Référent sur le sujet de l’optimisation Topolologique chez F3DF, j’interviens également dans les formations mécaniques et techniques à l’Université Savoie Mont Blanc pour des niveaux licence ou ingénieur en alternance, ce qui me place au cœur des préoccupations des industriels.

J’ai testé quelques logiciels du marché qui pourraient changer la façon de créer un produit et l’adapter à chaque client. Les procédures industrielles et les formations sur ces nouveaux outils sont en cours d’écriture. Etes-vous prêts à essayer ?

L’optimisation topologique : consiste à trouver la répartition de matière idéale dans un volume donné soumis à des 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 rétro conception est souvent nécessaire.

L’optimisation topologique est dans un premier temps l’apanage des ingénieurs calcul ; ces hommes n’ayant pas pour mission d’optimiser les pièces dessinées par le BE à des fins d’industrialisation, l’outil reste sous-employé pendant des années. Dans un deuxième temps, la mise à disposition d’outils de simulation intégrés à la CAO encourage les concepteurs à tester la tenue de leur pièce. Là commence la première difficulté : la compétence requise pour trouver les hypothèses de calcul au plus près de la réalité et critiquer les résultats. Le risque est d’étudier le mauvais comportement comme la compression au lieu du flambage.

LES ESSAIS DE L’ OPTIMISATION TOPOLOGIQUE

J’utilise une pièce de type bride avec 3 alésages et j’explore des géométries avec ou sans lattice

WithIn / NetFabb d’Autodesk : lattice 3D simple à mettre en œuvre et à optimiser

Mes conseils :
Déterminer avec soin le volume contenant le lattice 3D. Trouver le parallélépipède rectangle inscrit au mieux dans le volume affecté au treillis
Explorer l’optimisation du lattice mais utiliser en final le « kernel lattice »

Inspire de SolidThinking : optimisation topologique efficace qui permet d’avoir un résultat en surfaces (et en facettes)

Mes conseils :
Faire varier vos chargements, vos conditions aux limites, vos critères de fabrication pour explorer plusieurs résultats et choisissez celui que vous mènerez au bout.
Appuyer des surfaces avec l’outil « polynurbs » mais terminer la pièce avec une CAO « classique »
Les zones de lattice peuvent être déterminées en relevant des zones contenant des branches fines.

Creo Simulate de PTC + ProTopCI de Caess : optimisation topologique avec ou sans lattice qui s’appuie sur le maillage de Creo.

Mes conseils :
Définir le maillage sur Creo pour que les facettes soient le plus régulières possibles.
S’arrêter à l’optimisation topologique du volume si cela est suffisant
Balancer au mieux le lattice dans le volume prévu pour celui-ci. Un lattice 2D est souvent plus adéquat.

Les principales difficultés rencontrées sont les suivantes :

• Faire le bon maillage au départ
• Utiliser des conditions aux limites restreintes
• Raisonner uniquement avec le critère de Von Misès
• Manquer de proposition de lattice 2D ou 3D
• Retourner à une géométrie surfacique et pas facettisée.
• Enchaîner les étapes du processus.

Ce qui peut être compensé par :

• Une « souplesse » dans les outils CAO : ajouter des plugins ou des logiciels libres d’accès (maillage et lattice 2D)
• Une connaissance de l’erreur liée à la simulation
• Un bon niveau en CAO surfacique

Ces outils sont composites ; le monde de la surface NURBS côtoie maillage et facettes ; l’utilisateur fait évoluer ses procédures en fonction des nouvelles capacités des moyens numériques.
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 rétro conception (passage du maillage aux surfaces NURBS)

Perspectives :

Le plus de l’optimisation topologique est 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. Le concepteur obtient alors un panel de formes ou la pièce exactement adaptée à son client.

La fabrication additive rend possible la majorité de ces formes. Plus particulièrement, la fabrication additive métallique va appeler une optimisation topologique pour alléger la pièce et donc son coût,  placer des lattices 2D pour diminuer le parachèvement, voire augmenter la tenue de la pièce pour garantir la rentabilité de la fabrication.

L’enjeu pour l’entreprise est complexe :

• Quelles sont les pièces à optimiser en priorité ? Les pièces en petite série dont les outillages sont complexes, la pièce visible et unique pour le client VIP (domaine médical ou sportif)
• Quelles sont les ressources humaines aptes à adopter ce moyen ? Un homme concepteur / designer agile avec le numérique ou une petite équipe très collaborative.
• Quand démarrer ? Trouver l’opportunité par rapport au produit, à sa stratégie marketing et aux aides techniques ou financières.

Conclusion :

« Voyez grand et formez vous maintenant*»

La fabrication additive fait bouger 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.

*Inspiré de l’anglais : «Think big, start small, move fast»

N’hésitez pas à me faire part de vos questions et commentaires.