Penser fabrication additive dès la conception des pièces

Les procédés de fabrication additive ou d'impression 3D qui consistent à fabriquer un objet couche après couche ont pour certains plus de 20 ans d’existence. Cependant, les récents progrès accomplis autour des matériaux, de leur mise en œuvre, de la productivité des machines, de leur coût, enfin du savoir-faire industriel inaugurent une nouvelle ère en matière de fabrication manufacturée. Une remise en cause qui passe notamment par une nouvelle manière d’aborder la conception des pièces imprimées en 3D et leur workflow d’industrialisation.
  1. Fabrication additive : évolution ou révolution ?
  2. Maîtriser la pièce, la matière et le procédé
  3. Fabrication additive : pour quoi faire ?
  4. S’informer, convaincre et se former
  5. Après le pourquoi, le comment ?
  6. La gestion des paramètres machines
  7. Optimisation topologique : mode d’emploi
  8. Des fonctions « process » de plus en plus intégrées
  9. La démocratisation progresse
Fabrication additive
Conception générative d’un bras de suspension imprimé en 3D par Lightning Motorcycles.

1 – Fabrication additive : évolution ou révolution ?

En mars 2018, le rapport du cabinet Wholers Associates qui analyse le marché de la fabrication additive (FA) depuis 23 ans, annonçait une croissance globale de ce secteur de 21% l’année précédente. L’étude montre une hausse de 80% des solutions vendues en 2017 pour la fabrication métal ! Une tendance qui s’accélère n’en doutons pas en 2018. D’ailleurs, elle se confirme par la plateforme d’emploi Joblift qui a étudié les offres d’emploi liées aux imprimantes 3D et à la fabrication additive publiées les 24 derniers mois en France. Le marché a plus que doublé entre 2016 et 2017. Plus de 5750 offres d’emploi autour des imprimantes 3D ont été publiées les derniers 24 mois, ce qui correspond à une augmentation mensuelle moyenne des offres de 12%. Le premier secteur concerné reste l’industrie avec 30% des offres totales émises et 15% d’augmentation de celles-ci…

Prévue initialement pour le prototypage rapide, l’impression 3D bascule en effet progressivement vers la production de masse. BMW a ainsi annoncé récemment avoir imprimé en dix ans plus d’un million de pièces en 3D ! Cette millionième pièce est un guide de vitre en plastique pour le i8 Roadster. Le constructeur allemand utilise la technologie HP Multijet Fusion qui lui permet de sortir chaque jour une centaine de ces pièces. Cette même voiture reçoit une fixation de capote en aluminium réalisée elle aussi par fabrication additive. Mais cette fois-ci avec la technologie de fusion laser développée par EOS. BMW indique que le composant est plus léger et plus solide que son équivalent métallique produit par moulage.

2 – Maîtriser la pièce, la matière et le procédé

Les avantages de la FA sont en effet nombreux. Gain de poids, pas de limitation de forme, intégration de fonctions supplémentaires sur la même pièce, customisation de masse, fabrication d’outillages à la demande, rapidité d’obtention des pièces, etc. Bref, la FA séduit de plus en plus. Mais il ne s’agit pas d’un procédé miracle permettant de basculer telle quelle une pièce réalisée par usinage et assemblage en fabrication additive. Surtout si l’on compte gagner immédiatement sur tous les tableaux. Loin de là !

Impression3D
Impression 3D d’une boucle de ceinture en matériau transparent sur machine 3D Systems.

« Dans le domaine de la fabrication additive, un taux de rebut de 25% voire plus est courant. Pour progresser, il faut maîtriser trois paramètres : la pièce, le process, et le matériau. Dans le premier cas, c’est la topologie qui est importante. Dans le second, ce sont notamment le positionnement des supports, le traitement et le transfert du fichier CAO vers la machine, ou encore la gestion et la puissance et du parcours du faisceau laser. Enfin, ce qui se passe dans le matériau au moment de la fabrication, comme le changement de phase après la fusion des billes de métal, conditionne la santé matière.
~ Daniel Pyzak, Catia Engineering Center of Excellence Director, chez Dassault Systèmes
»

La démarche de conception d’une pièce fabriquée par FA est donc souvent le résultat d’une collaboration entre bureau d’études et le fabricant qui dispose du savoir-faire lié au process de fabrication et de sa variabilité. On rajoutera, l’importance du contrôle de la pièce en sortie de machine : contrôle des dimensions, de la santé matière, des caractéristiques mécaniques … notamment de sa résistance à la fatigue, un domaine peu documenté jusqu’à maintenant. D’ailleurs, il faut souvent fabriquer plusieurs prototypes pour valider la conception de la pièce.

3 – Fabrication additive : pour quoi faire ?

On le comprend, l’introduction de ce procédé de fabrication ouvre de nouvelles perspectives, mais comporte aussi son lot de nouvelles contraintes. Les industriels qui se lancent dans l’aventure doivent se poser trois questions essentielles : pour quelles pièces la fabrication additive est-elle adaptée ? Comment concevoir ces pièces ? Et comment intégrer la FA dans la démarche de production ?

La fabrication additive est parfaitement adaptée à la réalisation de formes complexes, mais c’est un process coûteux. Il faut donc être capable de générer de la valeur à partir de cette complexité. Le CTIF et Sogeclair Aerospace, par exemple, ont imprimé en 3D une porte de maintenance d’avion « one shot » en aluminium. Les avantages ? Un gain de masse de 30% grâce à une optimisation topologique et au procédé lui-même, l’intégration de fonctions supplémentaires a réduit le temps d’assemblage, et la forme aérodynamique est « netshape », ce qui limite au strict minimum les usinages de reprise.

4 – S’informer, convaincre et se former

Concevoir des pièces pour qu’elles soient fabriquées en FA suppose aussi de vaincre l’inertie psychologique des designers. Cela passe notamment par de nouvelles règles de conception, imaginer de nouvelles formes et jouer avec les matériaux disponibles. Cela peut aussi nécessiter un effort de formation. Les fabricants et intégrateurs de matériels, des organismes spécifiques, ou des fablabs proposent ainsi de vous mettre le pied à l’étrier.

F3DF est un centre formation et de certification Autodesk notamment autour de l’impression 3D. Salariés de grands groupes, créateur d’entreprise ou salariés en reconversion peuvent par exemple devenir en 252 heures de formation des « Chefs de projet Impression 3D ». Il y a bien sûr l’apprentissage des outils Autodesk et notamment de Fusion 360, mais aussi des modules sur la conception orientée FA, l’optimisation topologique, et les méthodologies permettant d’exploiter pleinement l’impression 3D. « S’ils sont déjà familiers de la modélisation 3D et des techniques de production, nos stagiaires doivent acquérir de nouvelles compétences. Avec18 jours de formation en centre, combinés à des modules sur le Web et des classes virtuelles, ils découvrent les avantages et limites de chaque procédé, comment étudier un cahier des charges, analyser la faisabilité d’une pièce, choisir les matériaux et la technologie de FA, optimiser les modèles, etc. » explique Florian Berthelot, Responsable pédagogique. Les demandes ? « La FA reste majoritairement envisagée pour des prototypes de bureau d’études, mais de plus en plus aussi pour fabriquer des outillages » rajoute Florian Berthelot.

Evolution entre la forme initiale de la pièce et sa géométrie optimisée topologiquement (Doc. Frustrum)

5 – Après le pourquoi, le comment ?

Tout commence avec le modèle 3D issu de n’importe quel modeleur CAO du commerce. La plupart de ces outils délivre un format STL à partir de ce modèle. Il est accepté par la majorité des machines de FA. Le STL se limite cependant à une description géométrique de la pièce. Depuis quelques années, un second format est apparu, l’AMF qui détaille en plus d’éventuelles textures, couleurs ou d’autres attributs.

La phase suivante est celle de la fabrication. C’est la plus délicate, car il faut préparer le modèle 3D au procédé choisi pour le fabriquer. Il faut parfois modifier certaines surfaces, vérifier que les parois ne sont pas trop fines, analyser les dépouilles, choisir l’orientation de la pièce dans le laboratoire de la machine, les paramètres du tranchage, éventuellement l’imbriquer avec d’autres pièces et, selon le procédé, construire les supports pour éviter l’effondrement d’une partie de la pièce,etc. Si l’éditeur Materialise s’est particulièrement imposé sur ce créneau avec sa solution Magics, la plupart des fabricants de machines proposent leurs propres outils, comme 3D Systems avec 3DXpert ou Stratasys avec sa solution GrabCad.

Impression 3D
Préparation du modèle 3D à sa fabrication additive. (Doc. Coretechnologie)

Les éditeurs venant du monde de la CAO comme Dassault Systèmes, PTC et Siemens ont eux aussi intégré des fonctions spécifiques à cette gestion du procédé de FA. Autodesk, par exemple, a racheté en 2015 Netfabb. « L’outil est très utilisé pour favoriser la réussite de l’impression 3D de fichiers STL. Il permet de réparer des géométries défectueuses, de fusionner des volumes, d’extraire ou couper une forme, de lisser la surface d’un modèle, de réduire la taille d’un fichier, mais également de générer les structures lattices et les supports utiles à certaines technologies de fabrication additive » explique Fikret Kalay, responsable monde de la recherche avancée et évangéliste France Usine du Futur chez Autodesk. Signalons également un spécialiste de l’analyse des modèles 3D CorecTechnologie (voir page XX), mais aussi Ansys, qui à travers Space Claim dispose de fonctions de réparation des modèles similaires.

6 – La gestion des paramètres machines

Si vous sous-traitez l’impression 3D de votre pièce, ce choix du logiciel de fabrication 3D ne se pose pas. Votre prestataire saura préparer votre modèle ou vous conseillez pour cela. Dans le cas contraire, le choix dépendra de nombreux facteurs : fréquence d’utilisation, type d’impression 3D (prototype ou pièces finie), type de procédé, etc. La plupart du temps, les industriels utilisent le logiciel fourni par le fabricant de la machine, ou un générique comme Magics de Materialise s’ils exploitent plusieurs procédés.

Mais une troisième phase reste à la charge du concepteur, celle de l’optimisation de sa pièce pour tirer pleinement profit de la FA. Le cycle idéal à adopter ? Définir l’espace de conception, optimiser la topologie de la pièce, reconstruire la forme « théorique » délivrée par le logiciel, puis lancer une optimisation paramétrique. La démarche la plus aboutie passe donc par une triple optimisation : topologique, formelle et paramétrique. On le comprend vite, le logiciel a donc un rôle clé dans la démarche.

Les évolutions des procédés de fabrication directe rendent désormais possible la création de pièces constituées tout ou en partie de structure en mini-treillis, communément appelée Structure Lattice. En utilisant cette matière cellulaire, on peut parfois diviser le poids d’une pièce par deux sans obérer sa résistance mécanique. Mais attention aux supports nécessaires à la tenue des pièces fabriquées en structure lattice, et au poids de fichiers STL générés par le logiciel !

impression3D-machine
L’un des enjeux de la fabrication additive : la maîtrise des paramètres des machines de production.

7 – Optimisation topologique : mode d’emploi

L’optimisation topologique consiste à générer par calcul la géométrie idéale d’une pièce pour respecter les contraintes mécaniques de son cahier des charges. Les objectifs les plus courants sont de minimiser la masse, le volume, d’éviter une fréquence propre ou de maximiser la résistance mécanique. Il s’agit donc de placer la quantité de matière juste nécessaire et seulement aux endroits où transitent les efforts mécaniques. Il existe plusieurs logiciels d’optimisation topologique sur le marché : Optistruct et Inspire d’Altair, Tosca de Dassault Systèmes, ParetoWorks de SolidWorks, ou encore DesignSpace d’Ansys.

Les données d’entrée sont : un espace fonctionnel ou un modèle 3D grossier de la pièce, les contraintes de charges, les caractéristiques de la matière utilisée, voire la méthode de fabrication, ainsi que des objectifs préalablement définis comme réduire la masse ou maximiser la raideur par exemple.

Le logiciel opère alors une discrétisation du modèle sous formes d’éléments finis et détermine pour chaque voxel (unité de volume minimale) la densité de matière indispensable. Le temps de calcul est variable de quelques minutes pour une pièce massive à plusieurs heures pour les pièces minces ou les assemblages complexes. Mais une station de travail moyenne suffit généralement à faire tourner les algorithmes les plus courants.

La forme obtenue est d’aspect très organique sans surface plane notamment. C’est pourquoi l’étape suivante consiste à finaliser la pièce pour obtenir une géométrie plus « mécanicienne ». Celle-ci devra, par exemple, autoriser le marquage, l’installation de capteurs, de vis, de brides ou des jauges de contraintes, ou encore supporter d’éventuelles évolutions. La reconception de la pièce a enfin pour but de produire une fichier STL « industriel » exploitable par la machine de fabrication additive.

Optimisation topologique Vs conception générative

AltairOn peut parfois confondre les deux technologies. Pour simplifier, l’optimisation topologique a pour objectif d’optimiser une géométrie existante. La plupart du temps on cherche à diminuer son poids en retirant de la matière là où elle est inutile, ou à renforcer sa résistance mécanique, sans changer ses contraintes fonctionnelles et géométriques, par une répartition plus efficace des épaisseurs. Les conditions initiales posées par l’ingénieur sont déjà restreintes à l’environnement qu’il estime le plus judicieux, mais qui laisse sans doute de côté tout un pan de solutions plus innovantes.

L’optimisation topologique est donc destinée à optimiser une forme préétablie et non à explorer d’autres solutions possibles. C’est en revanche le but de la conception générative. En gros, vous dites à l’ordinateur : « Je ne connais pas la solution mais je sais comment présenter le problème. » En fonction de vos contraintes initiales (dimensions maxi, matériaux, points de fixation, procédé de fabrication…) le logiciel délivre toutes les géométries susceptibles de répondre aux centaines voire milliers de compromis possibles. Charge au concepteur de sélectionner la proposition qui lui semble la plus adaptée à son projet.

8 – Des fonctions « process » de plus en plus intégrées

A travers le boom de la fabrication additive, toute la filière industrielle est en train d’apprendre sur les trois domaines à maîtriser : la pièce, le process et le matériau. Les éditeurs travaillent sur les modèles numériques correspondants aux différents procédés de FA et à leur intégration au sein de leurs logiciels. Chez Dassault Systèmes, par exemple le logiciel d’optimisation topologique Tosca disponible sous Catia a été intégré à 3DExperience sous l’appellation Generative Design Explorer. Il s’agit d’une solution globale (Tosca, + Abaqus + Catia) couvrant le cycle complet de création, de simulation, d’optimisation et de re-design de pièces imprimées en 3D.

optimisation
Optimisation de la densité et de la taille des structures lattices.

L’application dispose d’une interface simplifiée pour modéliser la pièce et les cas de charge, les conditions limites, le volume de conception, etc. Elle permet d’enregistrer un scénario pour tester différents cas, différents process de FA, mais aussi la fonderie, etc. Des fonctions sont intégrées pour raffiner la géométrie issue du calcul topologique, ou encore optimiser les dimensions à travers une démarche paramétrique. Le logiciel intègre enfin des outils pour positionner les supports, découper la pièce en tranches, gérer la trajectoire du laser, mais aussi simuler le proess. Tosca est ainsi en mesure de procéder à l’analyse thermique de la fabrication pour découvrir les contraintes résiduelles, en déduire les déformations et reboucler vers le pilotage du laser pour définir une trajectoire minimisant les déformations.

9 – La démocratisation progresse

Si les industriels prennent conscience progressivement de l’intérêt de la fabrication additive pour leur compétitivité, il reste de nombreux progrès à faire. Les logiciels de conception ont particulièrement progressé sur ce sujet depuis deux ans. Ils intègrent de plus en plus les composantes inhérentes à la gestion des process de fabrication additive. Il reste des progrès à faire pour simuler finement les procédés et éviter ainsi un rebut important, mais également dans la formation des ingénieurs et des concepteurs, qui pour l’instant reste encore très parcellaire sur le sujet.