SIMULATION NUMÉRIQUE : DU PRODUIT… À L’USINE COMPLÈTE

EVITER LES IMPASSES TECHNOLOGIQUES, DIMINUER LES ITÉRATIONS DE CONCEPTION, RACCOURCIR LES TEMPS DE DÉVELOPPEMENT, OPTIMISER LA PERFORMANCE DES PRODUITS, ÉVALUER DE NOUVELLES IDÉES… TELLES SONT LES PROMESSES DE LA SIMULATION NUMÉRIQUE. LE MARCHÉ EST EN PLEINE CROISSANCE, LES OUTILS SE DÉMOCRATISENT ET S’INTÈGRENT À LA CAO. ENFIN TOUTES LES PHYSIQUES OU PRESQUE SONT AUJOURD’HUI MODÉLISÉES AVEC PRÉCISION. LA SIMULATION NUMÉRIQUE S’ADRESSE AUSSI BIEN AUX GRANDES ENTREPRISES QU’AUX PME, AUX PRODUITS MANUFACTURÉS OU À LEUR PROCÉDÉS DE FABRICATION.
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SIMULER POUR COMPRENDRE ET OPTIMISER

La mission des bureaux d’études qui conçoivent des produits manufacturés est claire à défaut d’être simple : il faut faire plus léger, plus résistant, plus performant, plus compact, le tout plus vite et bien entendu le moins cher possible ! Une équation complexe à résoudre. Mais sans contrainte, point de génie…

L’une des solutions à cet éternel problème est de simuler virtuellement le comportement du produit dans son environnement final, mais aussi les process utilisés pour le fabriquer. L’objectif est notamment de répondre aux questions : le produit est-il conforme au cahier des charges ? Quel matériau dois-je utiliser pour le rendre plus léger, sans obérer sa résistance ? Une seule et grosse nervure de renfort ou deux plus petites ? Comment optimiser cette géométrie pour éviter une reprise d’usinage ?… Plus on obtient de réponses en début de projet et plus DU PRODUIT… À L’USINE COMPLÈTE on gagne du temps et de l’argent sur le cycle complet de son développement.

Conscientes des enjeux, les entreprises manufacturières ont progressivement intégré cette démarche de simulation numérique dans leur process industriels. Calcul de structure, de mécanique des fluides, cinématique, etc. ont ainsi remplacé ou complété les tests physiques, les surdimensionnements rassurants, et les coefficients de sécurité au doigt mouillé plus fréquents que l’on ose bien le dire.

COMMENT ÇA MARCHE ?

La simulation ou l’analyse numérique repose sur l’exploitation d’algorithmes décrivant le comportement des solides, des liquides et des gaz vis-à-vis des lois de la physique. Elle remplace, complète ou prépare les tests réels que les industriels continuent de lancer régulièrement sur les matériaux et leurs produits. A leur tour, ces tests physiques nourrissent les modèles mathématiques et valident leur justesse par l’expérimentation.

L’une des techniques d’analyse numérique les plus courantes est celle des éléments finis (MEF). Elle est utilisée par exemple pour évaluer la résistance d’un produit soumis à des contraintes mécaniques. Première phase, sa structure est découpée en éléments primaires : c’est le maillage du modèle 3D issu de la CAO. Selon le domaine étudié, le type de maillage choisi, les conditions limites, le matériau, les chargements de la pièce, etc. le logiciel d’analyse va effectuer différents calculs sur ces mailles (matrice de raideur, forces en chaque nœud de chaque élément, contraintes dans l’élément en fonction des déplacements…). Une interface graphique représente ensuite les champs de déplacements et les forces appliquées à ces éléments. Celle-ci permet d’en déduire le comportement global du produit vis-à-vis du domaine observé.

Cette rapide description illustre la complexité de la démarche. Il faut comprendre également que le maillage est une « simplification » du produit initial, que la modélisation reste une succession d’hypothèses souvent implicites à tous les niveaux, et que le résultat final dépend notamment de la justesse des paramètres d’entrée du problème.

QUE PEUT-ON SIMULER ?

L’offre logicielle du marché en matière de logiciels d’analyse est particulièrement riche : statiques linéaires ou non linéaires, dynamiques modales stationnaires et transitoires, dynamique rapide, thermique, acoustique, fatigue, mécanique des fluides… A peu près tous les phénomènes physiques régissant les matériaux et leur environnement liquide ou gazeux sont aujourd’hui modélisés virtuellement. Il est aussi possible de coupler plusieurs domaines, par exemple fluide/structure pour étudier le comportement d’un solide immergé dans un fluide dont la réponse peut être fortement affectée par l’action de ce fluide.

Le couplage multiphysique, la prise en compte de tous types de phénomènes non-linéaires, la disponibilité de nombreuses lois de comportement et d’équations d’état, mais également la capacité d’aborder des modèles de plusieurs millions de degrés de libertés poussent les entreprises à faire de plus en plus de simulation. D’ailleurs, les applications sont multiples et touchent tous les secteurs : automobile, aéronautique, sport, médical, électronique ou de high-tech. On tente de prédire la déformation d’une voiture lors d’un crash, la réponse aérodynamique d’un avion, la résistance d’un pont soumis à des rafales de vents, ou encore le confort acoustique d’un train à haute vitesse, et le comportement dynamique d’un engin de BTP sur un terrain accidenté. Certains éditeurs ont également exploré la simulation de la perception visuelle. Il s’agit dans ce cas de calculer une image fixe ou animée, parfois une maquette 3D virtuelle d’un produit ou d’une scène avec le degré de réalisme le plus proche possible de la réalité. Ceci bien évidemment avant d’avoir fabriqué la moindre pièce, pour en évaluer l’impact visuel sur le futur client.

LE PRODUIT, MAIS AUSSI LA FABRICATION

Outre le produit lui-même, il est aussi possible de simuler les process industriels de fabrication comme l’usinage, l’emboutissage, la forge, l’injection plastique, le soudage… jusqu’à la ligne complète de production. Ces logiciels métiers sont disponibles auprès des grands généralistes comme Dassault Systèmes, Autodesk ou Siemens PLM Software. Mais des éditeurs tels ESI Group, Transvalor ou encore Spring Technologies ou FlexSim se sont spécialisés sur des problématiques spécifiques comme la fonderie, la forge, l’emboutissage, le crash ou la simulation de flux de produits. L’utilisation de ces solutions évite l’immobilisation d’un moyen de production pour faire des tests, mais permet surtout de valider le process de fabrication dès la conception de la pièce.

L’industrie automobile et le secteur aéronautiques sont deux domaines où la simulation des process de fabrication est la plus aboutie. Dans l’automobile, elle est employée notamment pour évaluer la montabilité des pièces, l’ergonomie de postes de travail, et la programmation des lignes robotisées. Cette dernière application dite « d’usine numérique » est en forte croissance avec la robotisation massive de l’industrie mondiale faisant suite à la crise financière de 2009. Depuis cette date, les ventes annuelles de robots ont été multipliées par quatre ! Parallèlement, les logiciels de programmation se sont développés et surtout simplifiés pour aboutir à une maturité incontestable. Et, si le prix de ces solutions reste encore un obstacle à leur démocratisation, les éditeurs tentent toutefois de diffuser leur technologie auprès des PME notamment celles qui adoptent des cellules de soudage robotisé.

Les logiciels disponibles sur le marché couvrent aujourd’hui toutes les applications de la robotique industrielle : du soudage à l’arc au grenaillage, en passant par la peinture, la découpe laser et le contrôle non destructif. De nouvelles applications voient également le jour donnant lieu à de nouvelles fonctions métiers dans les outils destinés à leur programmation. On citera notamment la collaboration de deux robots pilotés par un seul contrôleur, les robots à double bras, les cobots associant robot et humain, mais aussi l’usinage robotisé, enfin, la fabrication additive, notamment avec le procédé de FDM qui exploite désormais des robots polyarticulés. La simulation robotique devient aussi plus précise. Ainsi, les solutions récentes simulent désormais fidèlement les mouvements des câbles accompagnant par exemple les pinces de soudage par point.

Dans le cas de projet de réaménagement, c’est l’environnement 3D de l’usine, acquis par scan 3D, qui est utilisé comme fond de plan. Les logiciels permettent de nettoyer et d’importer un nuage de points directement dans le soft d’implantation. La démarche tient ainsi compte de contraintes techniques du bâtiment, voire des équipements HVAC, avec lesquels il y a une interaction à gérer.

POUR QUI ?

Pendant longtemps, la simulation numérique intervenait après la conception du produit pour valider la justesse du design. D’ailleurs, on parlait plus d’analyse ou de calcul numérique. Les logiciels étaient très coûteux et il fallait une informatique puissante si l’on souhaitait tenir des délais raisonnables pour l’obtention des résultats. Finalement, seules les grandes entreprises capables de se payer des ingénieurs calculs et l’infrastructure hardware suffisante l’utilisaient. Mais ces experts étaient généralement déconnectés du bureau d’études où s’élaborent les concepts. Le cycle de développement d’un produit nouveau passait dans ce cas par une boucle plus ou moins efficace d’itérations essais-erreurs, et d’échanges de données entre bureau d’études et bureau de calcul.

Depuis une petite dizaine d’années, les choses ont évolué vers une démocratisation lente, mais certaine. Le calcul est devenu simulation, puis prototypage virtuel, une sémantique marketing qui traduit cependant le tournant pris par cette activité qui touche désormais les plus petites structures. La simulation est également devenue un outil de conception global des produits. Elle est ainsi employée dès les premières itérations de conception, voire avant les premières esquisses. Et elle n’a plus le rôle unique de validation, mais aussi celui d’optimiser les performances des produits, donc d’innover. On arrive progressivement à une étape que les Anglo-saxons désignent par « simulation drive design ». Enfin, les logiciels sont nettement plus accessibles, en termes de coût d’acquisition et d’utilisation, mais aussi de facilité de prise en main. Ceci est notamment vrai pour les solutions dites de pré-dimensionnement que l’on trouve intégrées aux logiciels de CAO moyen gamme.

DÉMOCRATISER PAR LE PRÉDIMENSIONNEMENT ?

Solidworks, Autodesk, Siemens PLM Software et d’autres ont en effet étoffé leurs logiciels respectifs de CAO de modules optionnels. Ceux-ci répondent à de nombreux cas de figures : analyse structurelle, thermique, mouvement, fatigue, fréquentielle, vibration, test de chute, refroidissement de systèmes électroniques, phénomènes linéaires ou non-linéaires, etc. Ainsi, une grande partie des outils réservés jusque-là aux logiciels spécialisés calcul sont désormais transposés dans les environnements de modélisation CAO. De quoi analyser la justesse géométrique de pièces unitaires voire, dans certains cas, d’assemblages de pièces. L’objectif est d’offrir un environnement de prédimensionnement aux concepteurs qui ont des connaissances fondamentales mais limitées dans le domaine du calcul numérique.

Evidemment, la prise en main de ces outils a été simplifiée et « codifiée » par métier. L’opérateur est guidé pas à pas dans sa démarche et il peut souvent rejouer des scénarios de calculs déjà validés pour des cas d’usage semblables. Les étapes de préparation des modèles, ainsi que leur maillage sont le plus souvent automatisées. La mise en données du calcul est en effet la tâche la plus complexe et celle qui détermine la justesse de l’analyse. Les éditeurs proposent désormais des solutions capables d’analyser le modèle, de proposer certaines simplifications géométriques pour accélérer le calcul, et de mailler automatiquement selon plusieurs critères y compris celui de vos ressources de calcul. Les outils de maillage adaptatif ou « intelligent » ont en effet particulièrement progressé et répondent à une majorité de cas d’application. L’opérateur a d’ailleurs toujours la possibilité d’intervenir sur le modèle, de choisir la taille moyenne des mailles ou de raffiner une zone qu’il juge critique.

LES AVANTAGES DE L’INTÉGRATION

Sur le papier, l’intégration partielle de l’analyse dès la phase conceptuelle présente des avantages. Il est ainsi possible de réaliser des tests qui prennent en compte un large éventail de paramètres pendant le processus de conception, comme la durabilité, la réponse statique et dynamique, le mouvement d’assemblage, les échanges thermiques, la dynamique des fluides et le moulage par injection de plastique. Les ingénieurs calculs sont ainsi déchargés de tâche de calcul à moindre valeur ajoutée et peuvent se concentrer sur des opérations exigeant leur expertise.

Le prédimensionnement peut éviter bien des impasses technologiques ou des choix qui se révèleront fort coûteux en phase d’industrialisation. Se poser les bonnes questions dès les premières esquisses et obtenir rapidement des réponses fiables impactent en effet fortement tout le processus industriel et la qualité finale du produit. L’analyse numérique maîtrisée permet non seulement de répondre au cahier des charges initial, mais aussi de vérifier la « fabricabilité » du produit, d’éviter les reprises coûteuses, et, in fine, d’optimiser les deux étapes : conception et industrialisation. On peut également citer la possibilité de multiplier et d’évaluer des concepts novateurs et de faciliter la communication entre bureau d’études et ingénieurs calculs. Et pour de nombreuses entreprises qui ne disposent pas de département calcul, c’est une solution pour diminuer les coûts liés à son externalisation.

ET SES LIMITES…

Les solutions de prédimensionnement sont fiables, précises et adaptées à la population du bureau d’études. Elles favorisent les bonnes pratiques et une collaboration plus fluide entre départements conception et calculs. Mais, revers de la médaille, elles doivent être maniées avec précaution. Il ne s’agit pas de boîtes presse-boutons. Des connaissances minimales, une formation adéquate et un cadrage rigoureux de la démarche sont indispensables pour éviter les désillusions. Si les résultats d’une analyse conservent la précision des grands codes de calculs, le logiciel ne vous préviendra pas si la mise en données est erronée… En outre, si les automatismes de pré-traitement du calcul sont efficaces pour la majorité de situations classiques, ils montrent leurs limites dès que l’on évalue des ensembles un peu complexes.