Comment l'optimisation de la topologie et l'impression 3D ouvrent de nouvelles opportunités de conception

Aujourd'hui, la fabrication additive (FA) offre des possibilités sans précédent pour la conception et la production de pièces fonctionnelles. Cependant, pour exploiter pleinement la complexité de conception offerte par la technologie, un logiciel de conception, comme l'optimisation de la topologie, est nécessaire.

L'optimisation de la topologie permet la production de pièces plus résistantes et légères. L'article d'aujourd'hui explorera comment l'optimisation de la topologie, associée à l'impression 3D, peut aider les ingénieurs à réinventer leur approche de la conception et de la production de pièces.

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

L'optimisation de la topologie est une technique de conception générative qui optimise la géométrie d'un objet à l'aide de calculs mathématiques.

Le processus d'optimisation de la forme d'une pièce commence par définir « l'espace de conception » qui représente le volume maximum qu'une pièce peut occuper. Ensuite, le logiciel analyse la forme en fonction de plusieurs exigences, telles que la charge, la déformation, les contraintes de rigidité et les conditions aux limites.

Cela permet au logiciel d'identifier les zones où le matériau peut être retiré sans sacrifier la fonction ou les performances de la pièce.

De cette manière, l'optimisation de la topologie permet de créer la meilleure structure possible d'une pièce donnée.

Les avantages de l'optimisation de la topologie

Un processus de conception plus rapide 

Le logiciel d'optimisation de la topologie permet d'accélérer le processus de développement et de conception des pièces en itérant automatiquement la conception jusqu'à ce qu'il crée une géométrie optimisée.

En prenant en compte les exigences de performance dans la conception dès le départ et en automatisant le processus de génération de conception, il est possible de proposer une conception innovante beaucoup plus rapidement, accélérant finalement le cycle de conception.

Pièces plus légères et plus résistantes 

Le plus grand avantage de l'optimisation de la topologie est peut-être la possibilité d'améliorer les performances de la pièce en réduisant son poids et en optimisant sa résistance.

En ajoutant ou en supprimant le matériau par endroits, définis par un ensemble de paramètres, les outils d'optimisation de la topologie permettent aux ingénieurs d'explorer des options de conception infinies et de trouver la meilleure structure légère, mais résiliente, d'une pièce donnée .

Les pièces plus légères sont recherchées par de nombreuses industries. Dans l'aérospatiale, par exemple, les composants légers peuvent réduire considérablement la consommation de carburant des avions, tandis que dans les sports mécaniques, ils peuvent radicalement améliorer les performances des voitures de course.

De plus, plus la pièce est légère, moins il y a de matériau utilisé pour la produire , ce qui réduit les coûts de fabrication.

Combiner l'optimisation de la topologie et l'impression 3D 

Les approches de fabrication traditionnelles sont souvent limitées dans leur capacité à produire des conceptions topologiquement optimisées. De telles conceptions présentent souvent des formes complexes, qui sont généralement impossibles ou d'un coût prohibitif à produire par usinage ou moulage par injection.

L'impression 3D, d'autre part, est capable de produire des formes complexes sans le coût supplémentaire de la complexité. Cela fait de l'impression 3D la meilleure technologie pour tirer le meilleur parti des conceptions topologiquement optimisées.

Optimisation de la topologie en pratique 

L'utilisation combinée de l'optimisation de la topologie et de l'impression 3D peut être trouvée dans des industries telles que l'automobile, l'aérospatiale et le médical.

Aérospatiale

L'aérospatiale est l'un des principaux utilisateurs de conceptions topologiquement optimisées, grâce aux avantages de la création de pièces légères, de structures de support réduites et de résistance préservée des pièces produites.

Les composants optimisés et fabriqués de manière additive s'avèrent très précieux pour réduire les coûts de lancement de satellites et de véhicules spatiaux.

Un bon exemple est celui du constructeur d'aérostructures STELIA Aerospace, qui a utilisé l'optimisation de la topologie pour produire des panneaux de fuselage d'avion.

Grâce à l'optimisation de la topologie, les concepteurs et ingénieurs de STELIA ont pu créer des panneaux de fuselage d'avion plus solides, avec une stabilité accrue. Il y a également un avantage écologique supplémentaire, avec la conception optimisée pour la topologie conduisant à moins de déchets matériels.

Médical

Le médical est un autre secteur qui bénéficie de l'optimisation de la topologie. Les structures fonctionnellement optimisées ouvrent de nouvelles opportunités pour la production d'implants qui imitent la rigidité et la densité osseuses d'un patient.

Dans un exemple récent, la société informatique Altair a combiné l'impression 3D et un logiciel d'optimisation de la topologie pour créer un implant de tige de hanche amélioré.

En entrant des paramètres tels que la taille, le poids et la charge attendue que l'implant supporterait, un logiciel d'optimisation de la topologie a été utilisé pour créer une nouvelle conception pour un implant de hanche. La conception optimisée répartit les contraintes et les contraintes d'une manière plus efficace qu'un implant générique.

En outre, un logiciel d'optimisation de la topologie a permis de déterminer où le matériau pouvait être remplacé par des structures en treillis pour alléger l'implant.

Lors des tests, l'implant optimisé offrait une limite d'endurance portée à environ 10 millions de cycles. Cela signifie que l'implant de hanche pourrait supporter le jogging de Los Angeles à New York et retour - deux fois.

Automobile

En 2018, BMW a lancé sa voiture emblématique i8 Roadster, dotée d'un support de toit en métal imprimé en 3D primé.

Le support de toit, un petit composant qui aide à plier et déplier le toit de la voiture, a nécessité une nouvelle conception pour maximiser les performances du mécanisme de pliage du toit. Pour atteindre cet objectif, les ingénieurs de BMW ont combiné l'impression 3D avec un logiciel d'optimisation de la topologie.

En utilisant le logiciel, les ingénieurs ont pu saisir des paramètres tels que le poids, la taille du composant et la charge qu'il supportera. Le logiciel a ensuite généré une conception qui a optimisé la répartition des matériaux de la pièce.

La conception réalisée par l'équipe d'ingénierie était impossible à couler. L'équipe a découvert que la seule façon de rendre cette conception possible était l'impression 3D en métal.

Grâce à la technologie de fusion sélective au laser (SLM), les ingénieurs ont créé un support de toit en métal qui est 10 fois plus rigide et 44 % plus léger que l'alternative conventionnelle.

Exemples de logiciels d'optimisation de topologie pour l'impression 3D  

De nombreuses sociétés informatiques fournissant des logiciels de conception et de simulation pour l'impression 3D développent également des solutions de conception avec des capacités d'optimisation de la topologie. Dans cette section, nous examinerons certaines des offres prometteuses en matière d'optimisation de la topologie pour l'impression 3D.

Inspiration Altair

Altair est une entreprise technologique mondiale qui fournit des solutions logicielles et cloud dans les domaines du développement de produits, du calcul haute performance et de l'analyse de données.

Ce qu'elle peut faire

Altair Inspire propose un certain nombre d'options de topologie, notamment des objectifs d'optimisation, des contraintes de contrainte et de déplacement, des conditions d'accélération, de gravité et de température.

Le logiciel d'optimisation de la topologie respecte également les contraintes des processus de fabrication. Par exemple, il permet la conception pour AM avec des contrôles de forme de porte-à-faux pour aider à réduire les porte-à-faux pour créer des structures plus autoportantes.

Ansys Mécanique

ANSYS est un fournisseur de logiciels de simulation et d'outils de conception pour l'ingénierie mécanique. ANSYS fournit aux concepteurs un outil d'optimisation de topologie automatisé intégré à sa suite complète de logiciels multiphysiques.

Ce qu'il peut faire

L'optimisation de la topologie dans Ansys Mechanical vous permet de prendre en compte de multiples charges statiques combinées à l'optimisation des fréquences naturelles (analyse modale), ainsi que de répondre aux exigences d'épaisseur minimale du matériau. En plus de cela, le logiciel est conçu pour valider facilement les résultats d'optimisation, accélérant ainsi le processus de conception.

ParaMatters CogniCAD

Le domaine des logiciels de conception et de CAO contient également une poignée de startups souhaitant transformer le marché. ParaMatters, fondée en 2016, a développé un logiciel de conception générative, CogniCAD.

Ce qu'il peut faire

CogniCAD offrirait un flux de travail hautement automatisé basé sur une optimisation de la topologie développée en interne, une analyse par éléments finis haute résolution et une géométrie de calcul.

Il fournit une variété de conditions de chargement, des objectifs et des contraintes de conception qui contribuent à garantir que la conception est adaptée à l'impression 3D.

Plateforme nTopologie nTop

Fondée en 2015, nTopology propose des logiciels de conception. En mai dernier, la société a lancé son logiciel de conception, Element, qui fournit des outils d'analyse de conception, d'allègement et d'optimisation.

Ce qu'il peut faire

En termes d'outil d'optimisation de la topologie, nTop Platform permet aux utilisateurs d'appliquer plusieurs conditions de chargement et d'optimiser pour une variété de critères de performance, notamment la contrainte, le déplacement et la rigidité.

Une fois la conception optimisée, l'outil permet la conversion automatisée des résultats d'optimisation de la topologie en géométrie éditable. Selon l'entreprise, cela peut vous faire gagner du temps et des efforts en fournissant un processus rapide et reproductible sans avoir besoin d'une reconstruction géométrique manuelle.

Optimisation de la topologie :une nouvelle approche de conception

Les logiciels d'optimisation de topologie pour la FA ont connu des progrès remarquables au cours des dernières années. Les grandes entreprises de logiciels et les startups développent des solutions avancées pour repousser les limites de la conception pour l'impression 3D.

Grâce à ces avancées, les entreprises de divers secteurs sont désormais en mesure de profiter d'une plus grande liberté de conception, de cycles de conception plus rapides et de performances de pièces améliorées.

En allant vers l'avenir, les capacités des logiciels d'optimisation de topologie pour la FA continueront d'évoluer, ouvrant de nouvelles possibilités puissantes.