Optimisation de la topologie 101 :Comment utiliser des modèles algorithmiques pour créer une conception légère

Où le bon design rencontre-t-il la fonction ? Alors que la conception assistée par ordinateur (CAO) continue d'évoluer et que les techniques de fabrication avancées telles que l'impression 3D se généralisent, permettant de créer des pièces complexes plus facilement que jamais, les concepteurs et les ingénieurs peuvent tirer parti des logiciels d'optimisation de la topologie pour repousser les limites et trouver de nouvelles façons de maximiser l'efficacité de la conception.

Dans ce guide, découvrez les bases de l'optimisation de la topologie, ses avantages et ses applications, ainsi que les outils logiciels que vous pouvez utiliser pour commencer.

Qu'est-ce que l'optimisation de la topologie ?

L'optimisation de la topologie (TO) est une méthode d'optimisation de forme qui utilise des modèles algorithmiques pour optimiser la disposition des matériaux dans un espace défini par l'utilisateur pour un ensemble donné de charges, de conditions et de contraintes. TO maximise les performances et l'efficacité de la conception en éliminant les matériaux redondants des zones qui n'ont pas besoin de supporter des charges importantes pour réduire le poids ou résoudre les problèmes de conception tels que la réduction de la résonance ou du stress thermique.

Les conceptions produites avec l'optimisation de la topologie incluent souvent des formes libres et des formes complexes qui sont complexes ou impossibles à fabriquer avec les méthodes de production traditionnelles. Cependant, les conceptions TO sont parfaitement adaptées aux processus de fabrication additive qui ont des règles de conception plus indulgentes et peuvent facilement reproduire des formes complexes sans coûts supplémentaires.

Optimisation de la topologie par rapport à la conception générative

La conception générative et l'optimisation de la topologie sont devenues des mots à la mode dans l'espace de conception CAO, mais on pense souvent à tort qu'elles sont synonymes.

L'optimisation de la topologie n'est pas nouvelle. Il existe depuis au moins 20 ans et est largement disponible dans les outils logiciels de CAO courants. Le début de son processus nécessite un ingénieur humain pour créer un modèle CAO, en appliquant des charges et des contraintes en tenant compte des paramètres du projet. Le logiciel supprime ensuite le matériel redondant et génère un seul concept de modèle de maillage optimisé prêt pour l'évaluation d'un ingénieur. En d'autres termes, l'optimisation de la topologie nécessite un modèle conçu par l'homme dès le départ pour fonctionner, limitant le processus, ses résultats et son échelle.

D'une certaine manière, l'optimisation de la topologie sert de base à la conception générative. La conception générative va encore plus loin et élimine le besoin du modèle initial conçu par l'homme, assumant le rôle du concepteur en fonction de l'ensemble de contraintes prédéfini.

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Comment fonctionne l'optimisation de la topologie

L'optimisation de la topologie a généralement lieu vers la fin du processus de conception, lorsque la pièce souhaitée doit avoir un poids inférieur ou utiliser moins de matériaux. Le concepteur travaille ensuite pour découvrir certains paramètres prédéfinis, tels que les charges appliquées, le type de matériau, les contraintes et la disposition.

L'optimisation de la topologie structurelle détermine d'abord l'espace de conception minimal autorisé nécessaire à l'optimisation de la forme du produit. Ensuite, virtuellement, le logiciel d'optimisation de la topologie applique une pression sur la conception sous différents angles, teste son intégrité structurelle et identifie les matériaux inutiles.

Le workflow d'optimisation de la topologie. (source)

La technique la plus courante et la plus pratique pour l'optimisation de la topologie est la méthode des éléments finis (FEM). Tout d'abord, FEM prend en compte la conception géométrique pour l'espace minimum autorisé, ainsi que d'autres facteurs, et divise la conception en plusieurs parties. Il teste ensuite chaque élément fini pour la rigidité, la conformité et le matériau redondant. Enfin, FEM assemble les pièces pour finaliser la conception complète.

La validation de la conception implique la détermination d'un seuil pour le champ de densité d'éléments entre une valeur de 0 et 1. Une valeur de 0 vide le matériau dans une région désignée de la structure, tandis qu'une valeur de 1 définit la région désignée comme un matériau solide. Le concepteur peut ensuite supprimer le modèle de tous les matériaux inutiles et finaliser la partie optimisation de la topologie de la conception.

Avant la fabrication additive, les concepteurs ont abandonné bon nombre des formes complexes créées par l'optimisation de la topologie, car elles n'étaient pas réalisables à fabriquer et son potentiel n'a pas été réalisé.

Avantages de l'optimisation de la topologie

Les ingénieurs ont besoin d'une bonne raison pour rompre avec les méthodes classiques de conception et de fabrication. Si une conception innovante ne coûte pas moins cher, ne fonctionne pas mieux ou ne fait pas gagner du temps, un fabricant verra peu de raisons de changer. Examinons les avantages de l'optimisation de la topologie.

Économiser de l'argent

De nombreuses géométries complexes issues de l'optimisation de la topologie rendraient les coûts de production irréalisables avec les pratiques de fabrication traditionnelles. Mais lorsqu'elle est associée à l'impression 3D, cette complexité n'entraîne aucun coût supplémentaire.

La fabrication de pièces imprimées en 3D peut encore être plus chère à produire que leurs homologues non optimisés, fabriqués de manière traditionnelle, mais ces conceptions légères peuvent offrir des économies de coûts plus importantes aux fabricants d'autres manières :

• Meilleur rendement énergétique car il y a moins d'énergie nécessaire pour mettre les pièces en mouvement grâce à la friction plus faible (avions, automobiles)

• Réduction des coûts d'emballage et de transport

• Moins de machinerie lourde nécessaire pour les chaînes de montage

Résoudre les défis de conception

L'optimisation de la topologie peut résoudre les problèmes courants du processus de conception, tels que les suivants :

• La résonance se produit lorsque la force permise par une forme dans un système domine le système. Cela peut entraîner une déformation mécanique, une réduction de la structure mécanique et des émissions polluantes.

• Le stress thermique est tout changement de température d'un matériau, dû à la friction ou à d'autres facteurs, entraînant une fatigue thermique et une déformation au sein d'un système.

Parfois, l'optimisation de la conception implique des fonctions objectives concurrentes, telles que l'optimisation de la taille et du poids. Par exemple, les pièces aérospatiales ont l'avantage d'être légères, mais doivent également résister à d'énormes quantités de couple, de contraintes et de chaleur. Un algorithme peut équilibrer une conception pour tenir compte de chacune de ces fonctions objectives et trouver le point idéal.

Gagner du temps

Bien que travailler avec un logiciel d'optimisation de la topologie nécessite toujours une expertise importante, les outils TO peuvent produire rapidement des conceptions hautes performances qu'un ingénieur ne pourrait pas créer manuellement. Cela signifie moins de temps et d'énergie consacrés à la conception CAO et des résultats finaux fiables avec moins d'itérations de la conception.

En ce qui concerne la fabrication des pièces, les processus de fabrication additive peuvent également transformer rapidement les pièces finales car ils ne nécessitent pas d'outillage beaucoup plus rapidement que les méthodes de fabrication traditionnelles.

Réduction de l'impact environnemental

La création de produits plus petits et légers réduit l'empreinte carbone globale d'un fabricant en exigeant moins de matériaux de construction en premier lieu. Par rapport aux outils de fabrication soustractifs traditionnels, les pièces produites par des procédés additifs nécessitent également généralement moins de matières premières et produisent moins de déchets.

Souvent, les économies les plus importantes se produisent tout au long de la durée de vie des pièces. Par exemple, les pièces légères pour avions réduisent leur impact environnemental en consommant moins de carburant.

Élimination des erreurs

À la base, l'optimisation de la topologie consiste à éliminer les erreurs. En effectuant des tests de résistance, le processus prend en compte un large éventail de variables et évite les hypothèses risquées qui pourraient conduire à des produits défectueux.

Applications d'optimisation de la topologie

Les conceptions hautes performances, efficaces et légères possibles grâce aux techniques d'optimisation de la topologie s'appliquent à un large éventail d'industries.

Aéronautique

En raison de l'importance de la réduction du poids, l'optimisation de la topologie est un match naturel pour l'ingénierie aérospatiale et l'aéronautique. TO a été utilisé, par exemple, pour améliorer la conception de l'agencement des structures de la cellule, telles que les nervures de renfort ou les supports pour les avions.

Au-delà de permettre l'allègement structurel, l'optimisation de la topologie peut aider à libérer le potentiel des technologies de fabrication avancées telles que la fabrication additive ou les matériaux composites qui sont de plus en plus populaires dans le secteur.

Optimisation de la topologie d'une nervure de bord d'un Airbus A380. (source)

Automobile

Dans l'industrie automobile, l'optimisation de la topologie équilibre la désirabilité des pièces légères pour l'efficacité énergétique et la puissance avec la stabilité et la résistance d'un corps qui peut résister au couple et aux chocs.

Outre les économies de masse, l'optimisation de la topologie peut également améliorer la sécurité des passagers en définissant la manière dont une structure s'effondre lors d'un accident.

Un cadre de moto léger optimisé pour la topologie, fabriqué à l'aide de l'impression 3D en métal. (source)

Médical

La fabrication additive est idéale pour créer des implants médicaux, car elle permet aux professionnels de la santé de créer des formes et des surfaces de forme libre, ainsi que des structures poreuses. Grâce à l'optimisation de la topologie, les conceptions peuvent comporter des structures en treillis plus légères, offrant une ostéointégration améliorée et durent plus longtemps que les autres implants.

Les outils TO peuvent également optimiser les conceptions d'échafaudages biodégradables pour l'ingénierie tissulaire, les implants poreux et l'orthopédie légère. Les applications de la nanotechnologie, telles que la manipulation cellulaire, la chirurgie, les microfluides et les systèmes optiques, utilisent également l'optimisation de la topologie.

Implant de crâne, produit par fabrication additive métallique. Source :Autodesk

Logiciel d'optimisation de la topologie

Les concepteurs reconnaissent de plus en plus la polyvalence, la vitesse et les capacités robustes de l'optimisation de la topologie. Les éditeurs de logiciels réagissent en fournissant les boîtes à outils nécessaires, soit dans le cadre de leurs offres préexistantes, soit via de nouvelles solutions logicielles.

Voici quelques exemples de logiciels d'optimisation de la topologie :

• nTopology offre un « ensemble d'outils unique de capacités de conception générative et d'automatisation », accélérant le processus de conception en combinant une géométrie avancée, des simulations et des données expérimentales. Son moteur de géométrie s'applique à une variété d'applications, de l'aérospatiale et de l'automobile à la conception de casques de football aux dispositifs spécifiques aux patients dans le domaine médical.

• Les solutions de simulation SOLIDWORKS proposent une optimisation de la topologie parmi leurs outils d'analyse structurelle et proposent plusieurs méthodes pour réintégrer ces conceptions optimisées dans un environnement CAO.

• La plate-forme de CAO basée sur le cloud Fusion 360 d'Autodesk offre une optimisation de la forme et des fonctionnalités avancées pour prendre en charge la vérification de la conception pour la fabrication sur des outils de fabrication traditionnels et numériques comme l'impression 3D.

• Le logiciel de conception générative Creo 7.0 inclut l'extension Generative Topology Optimization, qui permet aux utilisateurs de prendre en compte les contraintes et les exigences du produit et « d'explorer rapidement des options de conception innovantes pour réduire le temps et les dépenses de développement ».

• Altaire OptiStruct intègre l'optimisation et l'analyse structurelles. Spécialisé dans l'efficacité légère et structurelle, il dispose d'une méthode exclusive d'optimisation de la topologie dans la conception de structures en treillis. Son environnement multiphysique intégré, comprenant le transfert de chaleur, les vibrations et l'acoustique, la dynamique du rotor, la rigidité et la stabilité, facilite la conception dans des domaines tels que l'électronique grand public, la modélisation aérodynamique et les technologies médicales.

• Tosca Structure fonctionne avec le logiciel FEA et propose des modèles de simulation réalistes avec la possibilité de modifier la géométrie rapidement et de manière fiable. Sa capacité de morphing permet l'optimisation de la forme au niveau de la purée d'éléments finis existante, en contournant les étapes intermédiaires, et est particulièrement importante pour les concepteurs de structures mécaniques.

Un avenir radieux pour l'innovation

Les ingénieurs utilisent de plus en plus des méthodes innovantes pour concevoir des prototypes, des pièces de machines et des biens de consommation.

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Source de l'image de couverture :nTopologie