Conception générative et impression 3D :la fabrication de demain

La conception générative est un outil logiciel qui permet aux ingénieurs et aux concepteurs d'aborder les problèmes de conception de manière plus innovante et plus efficace. Les algorithmes de conception générative explorent toutes les solutions de conception possibles en définissant des objectifs et des contraintes, offrant aux ingénieurs de nombreuses options à explorer .

Bien qu'encore à ses balbutiements, la conception générative a montré un potentiel remarquable pour les applications industrielles, en particulier lorsqu'elle est couplée à l'impression 3D. Ensemble, la conception générative et l'impression 3D peuvent atteindre une plus grande flexibilité de conception, tout en créant des pièces plus légères et plus solides.

Aujourd'hui, nous allons examiner les avantages et les défis actuels de l'utilisation de la conception générative, en particulier lorsqu'elle est couplée à l'impression 3D. Nous explorerons également certains des logiciels de conception générative les plus populaires utilisés avec l'impression 3D et examinerons les entreprises qui tirent parti de la technologie de conception générative pour stimuler l'innovation.

Qu'est-ce que la conception générative ?

La conception générative est une technologie relativement nouvelle. Comme pour toute nouvelle technologie, il reste un manque de consensus de l'industrie autour de sa définition. Malgré cela, il semble y avoir deux manières principales de considérer la conception générative :soit comme un terme général englobant l'optimisation de la topologie, soit comme une technologie entièrement distincte.

Une vision commune de la conception générative la décrit comme une technologie qui utilise des calculs puissants pour assister le processus de conception.

Voici un aperçu étape par étape du fonctionnement de la conception générative :

1. Définir les paramètres

Le concepteur spécifie et définit les paramètres de la conception de la pièce, en fonction de paramètres tels que le poids, le matériau, la taille, le coût, la résistance et les méthodes de fabrication.

2. Générer des conceptions

Le logiciel de conception générative utilise des algorithmes pour explorer et générer des milliers d'options de conception. À ce stade, le logiciel peut également utiliser des algorithmes basés sur l'IA pour analyser chaque conception et établir les conceptions les plus efficaces.

3. Sélectionnez les meilleures options
Le concepteur peut ensuite étudier ces conceptions et sélectionner les résultats qui répondent le mieux à l'objectif de conception.

Pour déterminer la géométrie de la conception, les algorithmes de conception générative peuvent utiliser une gamme d'approches différentes, telles que comme l'optimisation de la topologie, le biomimétisme et la morphogenèse.

La principale différence entre ces approches est que les algorithmes d'optimisation de la topologie commencent généralement par une conception préexistante et en retirent le matériau pour réduire le poids de la pièce.

Le biomimétisme et la morphogenèse, en revanche, imitent l'approche évolutive de la nature en matière de conception, comme la croissance des racines et des branches des arbres, ou l'évolution des structures osseuses, en l'utilisant pour générer des options de conception.

Les avantages de la conception générative

Lorsqu'il est utilisé avec l'impression 3D, les avantages peuvent être encore étendus pour inclure des coûts de fabrication réduits et une productivité accrue. Nous avons identifié 3 avantages principaux :

1. Options de conception innovantes

Les logiciels de conception générative peuvent produire des géométries qui vont au-delà de ce que les humains peuvent concevoir, améliorant ainsi les capacités humaines dans la conception de produits.

2. Allégement

Les outils de conception générative donnent aux ingénieurs les ressources nécessaires pour créer des pièces légères en utilisant la quantité minimale de matériau nécessaire, tout en respectant les exigences techniques.

3. Consolidation partielle

La conception générative peut fournir des solutions pour consolider des sous-ensembles en une seule pièce. La consolidation des pièces simplifie le processus d'assemblage, la maintenance et peut réduire les coûts de fabrication globaux.

Pourquoi la conception générative convient-elle parfaitement à l'impression 3D ?

Un logiciel de conception générative aide à conceptualiser des pièces aux formes organiques complexes. L'impression 3D, en revanche, est peut-être la technologie idéale pour donner vie à ces formes, car elle est non seulement capable de créer des géométries complexes, mais aussi de manière rentable. Avec la fabrication traditionnelle, la production de ces profilés peut souvent être peu pratique, voire impossible, en raison des coûts élevés ou des limites de la technologie.

Cependant, il serait trompeur d'affirmer que la conception générative est limitée à fabrication additive, même si dans de nombreux cas, la technologie sera la méthode de production la plus optimale. Avec certains progiciels de conception générative, vous pouvez spécifier des méthodes de fabrication comme l'usinage CNC, le moulage ou le moulage par injection, en plus de la FA.

Les défis de la conception générative

Actuellement, la conception générative est à un stade précoce de développement, ce qui signifie que les premiers utilisateurs peuvent rencontrer certains défis.

#1 :Courbe d'apprentissage

Par exemple, définir avec précision un problème de conception en termes calculables, qu'un logiciel de conception générative doit résoudre, impliquera une courbe d'apprentissage abrupte. Les ingénieurs inexpérimentés dans l'expression du problème de conception sous la forme d'un ensemble de paramètres peuvent se retrouver avec des contraintes ou des charges structurelles mal définies, ce qui entraînera finalement un échec de la conception.

#2 :Écart entre la conception et la fabrication

Un autre point à considérer avec la conception générative est que les conceptions efficaces ne peuvent pas toujours être fabriquées efficacement. Par exemple, dans une étude de cas Renishaw, les ingénieurs ont optimisé topologiquement une manivelle de suspension. Ils n'ont cependant pas pris en compte la fabricabilité de la pièce optimisée. Cela a abouti à une conception qui a nécessité l'impression de nombreux supports, alors qu'une bonne pratique consiste à concevoir des pièces avec le moins de supports nécessaires.

#3 :Des géométries difficiles

De plus, les conceptions créées à l'aide d'outils de conception générative peuvent créer des géométries difficiles, même pour l'impression 3D. Les éléments en surplomb et les parois minces ne sont que quelques exemples. Cependant, de nouveaux outils de conception générative offrent des options permettant à l'utilisateur de spécifier des données de fabrication supplémentaires telles que les angles de porte-à-faux et l'épaisseur de paroi minimale.

#4 :Ressources nécessaires

Enfin, les approches de conception générative peuvent être gourmandes en calculs et nécessitent de puissantes capacités de calcul du matériel. Cependant, de plus en plus d'entreprises proposent des logiciels de conception générative qui tirent parti du cloud computing, éliminant ainsi le besoin d'investir dans du matériel coûteux.

Solutions logicielles de conception générative pour l'impression 3D

Bien que le marché des logiciels de conception générative soit nouveau, il existe déjà un certain nombre de progiciels disponibles pour la fabrication additive et soustractive. Dans cette section, nous examinerons certaines des offres les plus prometteuses en matière de conception générative pour l'impression 3D.

Conception générative Autodesk

Autodesk a été à la pointe du développement de conception générative. En avril, la société a lancé sa plate-forme Autodesk Generative Design, intégrée à son logiciel de développement de produits Fusion 360 Ultimate basé sur le cloud.

Comment ça marche

La plate-forme permet aux ingénieurs de définir des paramètres de conception tels que le matériau, la taille, le poids, la résistance, les méthodes de fabrication et les contraintes de coût. Notamment, le logiciel utilise des algorithmes basés sur l'IA, qui aident à filtrer les conceptions valides parmi un éventail d'options de conception. Le logiciel prend également en compte la fabricabilité, permettant aux concepteurs de sélectionner jusqu'à dix matériaux de fabrication additive différents pour étudier la conception.

Frustum GENERATE

Frustum, jeune entreprise fondée en 2014, cherche à devenir un acteur important dans le domaine du design génératif. L'offre de la société est son logiciel GENERATE - un programme intuitif pour créer des composants optimisés pour la topologie pour la fabrication additive, le fraisage et le moulage. GENERATE est une plate-forme basée sur le cloud, disponible en trois niveaux :gratuit, professionnel et entreprise.

Comment ça marche

Dans GENERATE, l'utilisateur affecte des valeurs de charge et de contrainte particulières aux faces d'une pièce. Le programme, alimenté par le moteur de conception générative de Frustum TrueSOLIDⓇ, génère ensuite une carte d'analyse par éléments finis (FEA) des concentrations de contraintes. Avec cette carte, les utilisateurs peuvent apporter des modifications à la géométrie de la pièce, notamment pour réduire la quantité de matière inutile dans sa structure. Le modèle peut être enregistré au format STL et est prêt à être imprimé en 3D.

L'année dernière, Frustum a annoncé un partenariat avec Siemens, et actuellement, la technologie est sous licence commerciale pour le logiciel Siemens PLM et intégrée dans Siemens NX et Siemens SolidEdge.

Bureau Metal's Live Parts™

Le groupe de recherche DM Lab de Desktop Metal, un fabricant américain de systèmes AM en métal, a récemment annoncé sa technologie expérimentale appelée Live Parts™.

Comment ça marche

La plate-forme de conception générative Live Parts™ utilise des algorithmes inspirés de la nature qui provoquent la « croissance » des pièces en fonction d'un ensemble de paramètres prédéterminés, tels que la taille, la fonction et le poids. Le programme crée un design en le développant à partir d'une cellule de germe en une structure optimisée, solide, légère et résistante à la fatigue. Le processus de « croissance » d'une pièce prend généralement entre 5 et 5 minutes, selon la taille d'un modèle.

La conception générative en pratique

Bien que les produits de conception générative soient loin de devenir courants, ils sont très prometteurs pour les industries à haute valeur ajoutée comme l'aérospatiale, l'automobile et le médical. Pour être les premières à profiter des avantages des produits conçus de manière générative et fabriqués de manière additive, certaines entreprises de ces industries ont déjà commencé à étudier la combinaison des deux.

Automobile

Par exemple, avec l'impression 3D et la conception générative, Bugatti Automobiles a innové le véritable système de contrôle des ailes de la super voiture de sport Chiron de 1 500 ch dans un projet de test du logiciel de conception générative de Siemens.

Grâce à la plateforme Siemens NX, le constructeur automobile a pu optimiser le poids de l'ensemble, qui a ensuite été imprimé en 3D en titane et fibre de carbone. Cette approche a conduit à une réduction de poids de plus de 50 %.

General Motors est un autre constructeur automobile qui explore les possibilités de la conception générative et de l'impression 3D pour ses futurs produits en utilisant le logiciel de conception générative Autodesk.

« Chez GM, nous voyons un grand potentiel pour la conception générative combinée à des processus de fabrication additive pour permettre des conceptions de pièces légères avec les critères de performance que nous attendons » déclare Kevin Quinn, directeur de la fabrication additive chez General Motors.

Pour l'instant, GM n'imprime pas en 3D des pièces de conception générative pour la production, se concentrant plutôt sur la preuve de concept. Par exemple, dans un projet initial, GM a utilisé le logiciel d'Autodesk pour produire plus de 150 options de conception d'un support de siège. Ceux-ci étaient 40 % plus légers et 20 % plus résistants que le support actuellement utilisé. La société a également été en mesure de consolider les huit composants différents du support en une seule pièce imprimée en 3D.

Pourtant, une entreprise automobile a franchi une étape importante avec une pièce imprimée en 3D conçue de manière générative et produite en série. BMW a récemment présenté son support de toit primé pour le roadster BMW i8. Les ingénieurs de BMW ont utilisé l'optimisation de la topologie pour minimiser la quantité de matériau nécessaire dans la pièce, puis ont imprimé la pièce en 3D en titane. L'optimisation de la topologie a non seulement conduit à une réduction de poids de 44 %, mais a également créé une conception qui ne nécessitait aucune structure de support pendant le processus d'impression 3D.

Médical

Dans le domaine médical, la conception générative peut être utilisée pour créer des implants reproduisant la nature poreuse de l'os humain. NuVasive, une société médicale basée aux États-Unis, utilise son logiciel exclusif d'optimisation de la conception pour créer des implants en titane. Le logiciel permet des conceptions en treillis, asymétriques et légères, qui ne sont possibles qu'avec la fabrication additive.

Regarder vers l'avenir :l'avenir de la conception générative

Les exemples de conception générative utilisés dans tous les secteurs sont de plus en plus courants, car la technologie est de plus en plus intégrée dans les flux de travail de conception de produits. Bien qu'il s'agisse encore d'une technologie relativement nouvelle, elle offre déjà aux ingénieurs une toute nouvelle façon d'envisager la conception de produits.

Alors que l'IA et l'apprentissage automatique ont été à l'origine d'une grande partie des progrès récents de la technologie de conception générative, la fabrication additive a également joué un rôle clé dans l'adoption des logiciels de conception générative. Avec de nouvelles avancées dans l'apprentissage automatique, les capacités de cloud computing et la FA, attendez-vous à ce que la technologie de conception générative suive, devenant un facteur clé de l'avenir de la fabrication.