Conception pour l'FA: Outils de CAO, simulation, voxels et l'avenir de la conception de FA

23 juillet 2025 | Temps de lecture : 6 min

 

Lors d'un enregistrement spécial en direct du Rapid + TCT Show à Detroit, l'Additive Snack Podcast a reçu le perspicace Dr Andreas Vlahinos, véritable maître d'œuvre de la conception dans la fabrication additiveFA. Vlahinos a partagé son point de vue sur l'évolution de la conception pour la fabrication additive (DfAM), les projets passionnants auxquels il s'est attaqué et la passion qui continue d'alimenter son travail innovant.

 

L'évolution de la conception pour la fabrication additive : Du rattrapage à l'innovation par la simulation

M. Vlahinos se souvient de l'époque où les systèmes de CAO paramétrique permettaient aux ingénieurs de créer des modèles présentant des complexités internes que la fabrication traditionnelle ne pouvait pas produire. Ensuite, les progrès réalisés dans le domaine des poudres, des machines et des techniques de numérisation de la FA ont dépassé les capacités de conception, ce qui signifie que nous avons pu construire des pièces que nous ne pouvions pas concevoir. Cela a entraîné une évolution de la CAO, avec l'apparition de nouvelles entreprises et de nouveaux outils permettant de concevoir des géométries complexes telles que des structures en treillis, y compris des gyroïdes - des structures qu'il a connues dans les années 80 mais qu'il n'a pas pu utiliser pleinement jusqu'à récemment.

Selon M. Vlahinos, ce qui a vraiment changé la donne au cours des trois dernières années, ce sont les "énormes progrès réalisés dans le domaine de la conception par simulation". Il est désormais possible d'effectuer une analyse par éléments finis (FEA) sur une pièce solide, de stocker les résultats, puis d'utiliser ces données pour, par exemple, faire varier l'épaisseur d'un gyroïde en fonction des contraintes résiduelles ou de von Mises.

L'interopérabilité entre la géométrie CAO traditionnelle à représentation des limites et les géométries à base de voxels générées par les outils DfAM avancés constituait un obstacle majeur. L'évolution récente de la technologie de simulation, qui adopte des approches basées sur le voxel, a permis la simulation en temps réel dans l'environnement de conception. Les concepteurs peuvent désormais voir les résultats de la simulation au fur et à mesure de la conception, ce qui permet d'apporter des modifications immédiates en fonction des points de contrainte.

 

Combler le fossé des connaissances : outils et formation

Malgré ces progrès, la main-d'œuvre a souvent pris du retard. M. Vlahinos attribue cette situation à plusieurs facteurs : le rythme rapide des améliorations technologiques à chaque sortie de logiciel, le fait que les universités ne suivent pas le rythme de ces nouveaux outils et le processus bureaucratique d'accréditation des nouveaux cours. Il en résulte que les ingénieurs obtiennent leur diplôme sans connaître ces capacités essentielles de DfAM.

Pour y remédier, l'industrie se tourne de plus en plus vers la formation interne, en flux tendu. L'année dernière, M. Vlahinos a lui-même formé 480 ingénieurs chez Lockheed Martin, dont beaucoup ne connaissaient pas les outils avancés de DfAM déjà disponibles dans leurs logiciels existants.

Il utilise personnellement des outils tels que PTC Creo, avec sa conception intégrée basée sur le voxel et Creo Simulation Live, et nTopology (aujourd'hui nTop) pour ses puissantes capacités de modélisation implicite, qui permettent de créer de vastes structures en treillis et des opérations uniques telles que le mélange de gyroïdes avec la CAO solide ou le bombardement de gyroïdes pour les structures à double paroi. Bien que puissant, il note que la facilité d'utilisation et l'interopérabilité de nTop, bien qu'elles s'améliorent, posent encore des problèmes.

Un impact sur la vie humaine : Le projet d'implant de fémur

Interrogé sur ses projets récents les plus passionnants, le Dr Vlahinos a évoqué un cas médical qui a eu un impact profond il y a environ deux ans. Une jeune femme atteinte d'un cancer du fémur avait besoin d'un implant dans un délai d'une semaine pour éviter l'amputation.

Il s'agissait d'apprendre rapidement à traiter les données DICOM d'un scanner pour générer un STL, le convertir en modèle solide, réséquer virtuellement l'os cancéreux, concevoir l'implant avec des supports intégrés et incorporer des structures en treillis à base radiale pour l'ostéo-intégration, tout en garantissant un canal pour un clou chirurgical.

L'implant a été imprimé et implanté avec succès, et le patient a pu marcher sans boiter au bout de deux semaines. Bien que ce "travail d'amour" ait été plus gratifiant que n'importe quel projet rémunéré, le Dr Vlahinos a souligné la nature conservatrice du domaine médical, espérant une plus grande ouverture aux innovations basées sur la DfAM, comme les implants à charnière.

Creo 8 - Réseaux gyroïdes

Le processus de conception des échangeurs de chaleur : Une plongée en profondeur

M. Vlahinos a ensuite détaillé son processus méticuleux de conception d'échangeurs de chaleur fabriqués de manière additive : 

  1. Faisabilité ("Pourrais-je, devrais-je") : Peut-on l'imprimer dans l'enveloppe ? Le matériel est-il disponible ? Avons-nous accès à l'imprimante ? Enfin, et c'est là un point essentiel, la solution est-elle économiquement viable par rapport aux méthodes traditionnelles (par exemple, le tube et la coque ou la plaque brasée) ? Cela implique une analyse du coût total de possession, en tenant compte de facteurs tels que la durée de vie en fatigue et la maintenance.
  2. Objectifs de performance et bibliothèque numérique : Quelles sont les performances requises ? M. Vlahinos souhaite au moins doubler les performances de la solution existante. L'objectif est de créer un jumeau numérique - un modèle tel que conçu et un modèle tel qu'imprimé (y compris l'orientation, les supports, les tolérances d'usinage) stocké dans un système PLM pour l'impression à la demande.
  3. Conception initiale et CFD : identifiez les entrées et les sorties, définissez un volume délimité volumineux et effectuez une analyse CFD sur ce volume avec des températures et des pressions d'entrée et de sortie de base. Les structures TPMS, souvent utilisées, ont par nature une faible perte de charge.
  4. Mise en forme guidée par le flux : Les lignes de flux résultant de la CFD guident le placement des matériaux, découpant les régions de recirculation et définissant le volume de base de l'échangeur de chaleur.
  5. Transfert de chaleur conjugué et efficacité : Une fois le volume solide défini, effectuez une analyse du transfert de chaleur conjugué pour déterminer les températures et les pressions dans l'ensemble de l'échangeur de chaleur et calculer l'efficacité de ce dernier.
  6. Exploration et optimisation de la conception : Si l'efficacité est faible, des paramètres tels que la taille de la cellule unitaire et le type de réseau sont explorés. Un plan d'expériences (DOE) est utilisé, en exécutant plusieurs configurations. Les résultats sont visualisés (par exemple, graphiques parallèles, fronts de Pareto) afin d'identifier les conceptions optimales.
  7. Fabrication et collaboration : Une fois que la conception optimisée est présentée à la fabrication, les contraintes telles que l'enlèvement de la structure de support, les tolérances d'usinage et les données de référence pour le post-traitement sont prises en compte. Les considérations relatives à la fabrication, comme l'épaisseur minimale de la paroi imprimable, sont intégrées dans les gammes DOE.
  8. Simulation de processus de fabrication : L'analyse du tracé de la surface par rapport à la hauteur peut révéler des changements brusques de la section transversale susceptibles de poser des problèmes, ce qui incite à modifier la conception, par exemple en utilisant des plaques ondulées ou des caractéristiques en rampe.

 

Inspirer la prochaine génération (et la génération actuelle)

Pour les créateurs qui découvrent l'FA ou qui ont du mal à s'y faire, le Dr Vlahinos conseille de ne pas se contenter d'informations, mais de s'en inspirer.

Il commence ses cours DfAM en présentant les conceptions brillantes de la nature - comment les arbres utilisent l'optimisation topologique ou comment les ailes des papillons atteignent de longues portées avec des structures fines.

Il fournit ensuite des "graines" pour l'innovation, comme l'intégration de caloducs dans le châssis des cartes électroniques en concevant des cavités internes, en y ajoutant quelques gouttes d'eau et en les scellant. Le plus difficile, selon lui, est de surmonter l'état d'esprit ancré par 150 ans de conception pour la fabrication soustractive.

Les réflexions du Dr Andreas Vlahinos brossent un tableau vivant d'un domaine en évolution rapide, où des outils sophistiqués, des processus rigoureux et, surtout, un état d'esprit collaboratif permettent de libérer tout le potentiel de l'FA

 

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