Comment concevoir pour la Fabrication Additive : Des experts donnent leurs conseils!

Comme vous le savez, une pièce d’usinage n’est pas conçue de la même manière qu’une pièce imprimée en 3D : chaque processus de fabrication est associé à une technique de conception. En fabrication additive, il existe des règles de conception et des outils très spécifiques qui vous permettront de créer un design optimisé, prêt pour l’impression 3D. Ces méthodes sont généralement regroupées sous le terme de Conception pour la fabrication additive (DfAM) – développées pour optimiser au maximum les performances fonctionnelles de la pièce, mais aussi son coût, sa fiabilité et d’autres considérations liées au cycle de vie du produit. Plusieurs techniques sont utilisées aujourd’hui, telles que la conception générative, l’optimisation de la topologie ou la création de structures en treillis. Comment choisir la bonne méthode de conception pour optimiser l’ensemble du processus de conception d’une pièce imprimée en 3D ? Nous avons demandé à trois experts en fabrication additive leur avis sur la question !

Afin de répondre aux problématiques liées au DfAM, nous avons posé quelques questions à Ravi Kunju, SVP, Stratégie et Développement Commercial chez Altair ; Daniel Pyzak, Directeur du Centre de Compétences CATIA EMEA chez Dassault Systèmes ; et enfin Peter Rogers, Spécialiste des Produits APAC pour la Fabrication Additive chez Autodesk.

Ravi Kunju
Jean-Pierre
Peter Rogers

Qu’est-ce qui dicte quelle technique DfAM est utilisée?

Dans un certain contexte, DfAM a émergé en raison de l’énorme liberté de conception et des capacités uniques fournies par les technologies AM, par opposition aux méthodes traditionnelles telles que l’usinage CNC, où certaines conceptions sont tout simplement impossibles à fabriquer. Peter Rogers développe sur ce point: « Pour additive, la question « Pouvons-nous faire cela? » est souvent répondu par un « oui ». Bien qu’il soit possible de faire quelque chose, cela ne signifie pas que cela devrait être fait de cette façon. Les équipes de production et de fabrication développent leur compréhension des meilleures pratiques en matière d’AM. »

Pour commencer, il est important de se rappeler que la ou les techniques de conception choisies dépendront de la technologie utilisée. Ravi Kunju est assez clair: « C’est le processus qui dicte comment une pièce est préparée et comment elle est finie. »Si vous possédez une imprimante 3D FDM, vous ne créerez pas votre pièce de la même manière que si vous possédiez une imprimante 3D metal ou SLS. En partant de la technologie elle-même, vous éviterez certaines erreurs et cela vous permettra de mieux optimiser votre finition de surface, de maximiser les propriétés mécaniques de votre pièce et de faciliter son nettoyage, ce qui signifie économiser du temps, du matériel et de l’argent. Daniel Pyzak de Dassault ajoute:  » Il y a beaucoup de règles à suivre pendant la phase de conception pour obtenir un design approprié pour l’impression 3D: ces règles dépendent fortement de la machine (taille de la capacité, type de technologie, matériau, etc.)  »

Prenons par exemple l’impression 3D en métal, et plus précisément la technologie de Fusion par Lit de Poudre Laser. Ravi Kunju explique: « Par exemple, dans un processus de fusion laser sélective pour imprimer du métal, une structure de support est nécessaire lors de l’impression de surfaces inférieures à 45 degrés. Sinon, la qualité de la surface orientée vers le bas peut être très médiocre. Les structures de support sont coûteuses à imprimer et à enlever, étant donné qu’elles doivent être soustraites de la partie finale. La meilleure approche consiste à créer des conceptions qui ont des structures de support minimales. Il faut ajouter une contrainte pour s’assurer que la structure générée a des surfaces bien supérieures à l’angle de 45 degrés par rapport à l’horizontale. »Minimiser le nombre de supports est donc une étape importante dans DfAM, un point qui peut également être appliqué à d’autres technologies d’impression 3D.

 Conception pour la fabrication additive

Peter Rogers explique qu’une nouvelle technologie passionnante peut comparer les résultats en utilisant l’impression 3D, l’usinage 2.5, 3, 5 axes et d’autres méthodes de fabrication pour déterminer quelles pièces conviennent à AM |Credits: Autodesk

Quelles sont les conceptions pour les techniques de fabrication additive?

Comprendre comment une pièce sera utilisée et quel est son but est d’une importance capitale lors du choix de la ou des techniques de conception à appliquer – en d’autres termes, DfAM est un excellent moyen d’ajouter des fonctionnalités. Peter Rogers explique plus en détail: « Par exemple, l’accent est mis sur la conception générative et l’optimisation de la topologie pour les pièces critiques pour l’aviation et l’aérospatiale, ce qui découle en partie de l’exigence de pouvoir effectuer des inspections de fissures faciles. Avec les treillis, les sections internes ne peuvent pas être facilement inspectées, ce qui signifierait que les inconvénients persistants l’emporteraient sur les avantages. Cependant, dans les dispositifs médicaux, la forme est relativement mise en place et les treillis sont plus fonctionnels pour l’ostéointégration, de sorte que la plupart des DfAM sont effectués à l’aide de treillis. »

Vous avez probablement déjà entendu parler de l’optimisation de la topologie et de la conception générative. En fait, les deux techniques sont souvent associées. Daniel Pyzak explique: « Ce sont des technologies de conception pour l’ingénierie légère au service de plusieurs processus de fabrication: fraisage, coulée et fabrication additive. »En bref, l’objectif final de la conception générative est d’arriver à une conception qui répond mieux aux exigences de performance, plus rapide et plus légère, en utilisant les méthodes de calcul et les ressources disponibles. L’optimisation topologique n’est autre qu’une méthode de conception générative éprouvée axée sur l’optimisation de la distribution des matériaux à l’aide de méthodes numériques saines. Les formes optimisées que vous obtenez grâce à l’optimisation de la topologie sont très souvent impossibles à fabriquer en utilisant des processus traditionnels.

Cependant, Ravi Kunju ajoute qu’il peut être coûteux, long et même sous-optimal de modifier les conceptions et d’explorer chaque variation à l’infini. « S’il y a trop de contraintes, on peut ne jamais arriver à une solution optimale. Il existe de nombreuses techniques et méthodes numériques disponibles pour piloter les conceptions, telles que le DOE (design of experiments), les méthodes stochastiques, les algorithmes génétiques, les réseaux de neurones, etc., qui ont tous leurs forces et leurs faiblesses et peuvent être classés comme étude de conception et synthèse (DSS). »

 Conception pour la Fabrication Additive

Grâce aux solutions logicielles d’Altair, AP Works (filiale d’Airbus) a conçu un cadre imprimé en 3D pour sa moto. Avec l’optimisation topologique, ils ont pu réduire le poids final de la pièce de 30% | Crédits : Altair

Enfin, nos experts se sont concentrés sur le concept de structures en treillis, qui est une forme d’optimisation puisqu’il vise à réduire le poids d’une pièce tout en conservant son intégrité structurelle. Le treillis fonctionne en créant un réseau de mailles et de nœuds qui sont souvent comparés à une structure en nid d’abeille, une conception difficile à obtenir en utilisant des méthodes de fabrication traditionnelles. Les avantages d’une telle conception sont nombreux, mais le point principal à retenir est qu’ils offrent un rapport résistance / poids optimal. Une telle technique offre également une absorption des chocs et une protection contre les chocs, particulièrement intéressantes en cyclisme par example.

 Conception pour la Fabrication Additive

Exemple de structure en treillis conçue à l’aide du logiciel CATIA de Dassault Systèmes | Crédits: Dassault Systèmes

Quel est l’impact des techniques DfAM sur le post-traitement ?

Pour la majorité des utilisateurs, le post-traitement est souvent considéré comme un processus long et difficile. C’est pourquoi il est important de minimiser ces étapes autant que possible, dès le début du processus de conception. Ravi Kunju explique qu’il existe trois principaux types de post-traitement pour l’impression 3D: thermique, mécanique et thermomécanique. « Le post-traitement thermique soulage la partie des contraintes résiduelles et, dans certains cas, modifie la structure du grain. Le post-traitement mécanique supprime la structure de support et les trous de finition / perçage / fraisage, etc. Le post-traitement thermomécanique pourrait ressembler à un pressage iso-statique à chaud (HIP). »

En fait, Daniel Pyzak conseille de réduire le nombre de supports d’impression 3D (voire de les éliminer), notamment dans la fabrication additive métallique. Il ajoute: « Une autre façon est d’intégrer ces supports (c’est le travail du concepteur, pas celui de l’opérateur de la machine) dans la conception de la pièce elle-même. Ici, pas besoin de les enlever ! Aujourd’hui, très peu de pièces sont conçues de cette manière, mais c’est définitivement une idée prometteuse. »

 Conception pour la fabrication additive

Un autre exemple des résultats de la conception générative, consolidant 8 composants en 1 pièce | crédits: Autodesk

Peter Rogers conclut: « Apporter les connaissances AM le plus tôt possible dans le processus de conception initial sera la clé pour tirer le meilleur parti du matériel. Dans les grandes organisations, cela peut être difficile, donc la constitution d’un groupe de travail avec des personnes d’horizons divers peut aider à trouver de nouvelles façons innovantes d’améliorer les pièces et de transformer ce qui a été initialement mis en œuvre en tant que technologie de « leadership éclairé » en une technologie de production irremplaçable. »

* Crédits Photo de couverture: HP/Motus

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