Créativité dans le design mécanique à l’aide de l’optimisation topologique

Le spectre d’application et les gains obtenus grâce à l’optimisation topologique sont larges. Cette rencontre-conférence a permis de faire le point sur cette méthode.

Pierre Duysinx, Vice-Recteur et Professeur Ordinaire (Faculté des Sciences Appliquées, A&M, ULiège) a débuté la conférence en remettant rapidement l’optimisation topologique dans une perspective historique. L’arrivée de l’optimisation topologique a permis un changement de paradigme, une conception plus rationnelle, grâce à des suggestions basées sur les mathématiques et la physique, qui permettent de redéfinir une forme (en la soumettant à certaines contraintes) en 2D ou en 3D.

Aujourd’hui le monde va tellement vite qu’il faut trouver des solutions plus rapidement pour répondre aux problèmes actuels. Alors qu’avant c’était uniquement l’intuition humaine qui était mobilisée, l’optimisation topologique est un outil qui propose des designs novateurs. Cependant, l’optimisation topologique ne va pas remplacer l’humain. C’est une aide car l’intelligence de l’ingénieur est essentielle pour définir le problème de conception afin qu’il ait un sens.

Pierre Duysinx a présenté quelques-unes des premières applications de l’optimisation topologique en aéronautique et en mécanique. Leur défi était de redesigner les pièces, notamment pour retirer un maximum de matière.

Le challenge aujourd’hui est aussi d’élargir le champ de l’optimisation topologique au flambement, à la conception de structure mince, aux multi-matériaux et structures composites, à la fabrication additive, à la thermo-fluidique ou encore à l’électromagnétisme. Dans ce dernier domaine, Pierre Duysinx a donné quelques exemples d’applications, comme la diminution du bruit du moteur tout en gardant son efficacité.

Le Professeur a ensuite souligné les avantages à associer fabrication additive et optimisation topologique. Il a rappelé les limites et contraintes de la fabrication additive et comment l’optimisation topologique permet de faire différentes projections en contrôlant différents paramètres. Un futur défi serait d’intégrer des techniques de calcul plus imposantes.

Le but principal de l’optimisation topologique est souvent de gagner du poids où l’on peut. La question de la réduction de la masse des composants se pose aussi dans le secteur de l’automobile. On évolue vers de nouvelles configurations et on voit, entre autres, qu’une solution bi-matériaux peut être très intéressante. Pierre Duysinx a présenté quelques solutions amenées par l’optimisation topologique pour la fabrication de pièces. Une fois la solution trouvée, la pièce est produite et peut être analysée sur toute une série de critères (vibration…) pour voir si elle correspond bien au cahier des charges.

En conclusion :

• L'optimisation de la topologie permet de suggérer des conceptions innovantes tirant parti des capacités améliorées des technologies de fabrication additive.
• Générer des designs prêts à être imprimés nécessite de prendre en compte les contraintes spécifiques de fabrication : FA, fonderie, moulage par injection… le plus tôt possible dans le processus de conception.
• Création d'une chaîne de conception entièrement numérique transparente qui est la mise en œuvre du concept de jumeau numérique.
• Extension de l’optimisation topologique à de nombreux domaines de l’ingénierie : problèmes structurels, fluides, thermique, électromagnétique…

Les challenges à venir ou les nouvelles frontières à dépasser sont : introduire plus de physique (un défi pour la recherche), réaliser des modèles à plus grande échelle, pouvoir récupérer/réutiliser les calculs (IA et machine learning), et appliquer l’optimisation topologique à des problèmes complexes en dehors des domaines de l’ingénieur.

Ensuite, Etienne Lemaire, Software Engineering Manager (Siemens Industry Software | Centre d’Exploitation et de Compétence Samtech) a passé en revue les possibilités d’optimisation topologique dans l’environnement NX de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) développé par Siemens, qui prend de plus en plus en compte les contraintes associées aux différents procédés de fabrication, et notamment celui de la fabrication additive.

L’optimisation topologique est un outil qui permet de guider le design d’une pièce en fonction d’un cahier des charges. Il permet de créer des pièces plus légères, résistantes et écologiques. Il peut être utilisé en fabrication additive et soustractive. Très intéressant à mobiliser dès le début de la conception, le problème de l’optimisation technologique est qu’elle est surtout conçue pour des experts en calculs. Les concepteurs de logiciels tendent donc à chercher à démocratiser ces outils pour les rendre accessibles à un public plus large, et surtout aux designers. Pour y arriver, l’idée est de les introduire dans des modèles CAO NX, un univers qui leur est plus familier.

Comment rendre le résultat du flux opérationnel de l’optimisation topologique plus facilement utilisable dans le NX de CAO ?

En cherchant à automatiser certaines étapes de travail : l’étape de maillage, de calcul et de reconstruction (la plus chronophage en fonction du modèle). Dans ce nouveau workflow, l’utilisateur ne voit pas les résultats bruts mais la géométrie proposée utilisable directement pour une validation extérieure. Etienne Lemaire a ensuite fait une démonstration de l’outil développé par Siemens dans NX. Parmi les fonctionnalités, un aperçu qui montre à l’utilisateur si la projection va dans le sens souhaité ; la possibilité d’affiner la résolution dans un temps raisonnable ; la possibilité d’intégrer le fait que la structure soit autosupportée (contrainte sur la forme) …

Etienne Lemaire a terminé en mettant en avant les différentes fonctionnalités prises en charges (voir slide 12).

Enfin, Julien Magnien, Engineer Additive Manufacturing (Sirris) a illustré l’importance croissante de l’optimisation topologique pour l’industrie au sens large, car elle offre de nouvelles perspectives pour rencontrer les spécifications structurales et multidisciplinaires de beaucoup d’applications, avec des performances supérieures et des bilans de masse inférieurs aux structures fabriquées par les procédés traditionnels.

Après avoir rapidement posé le contexte, en rappelant notamment que l’optimisation topologique est l’art de mettre la matière là où elle est strictement nécessaire pour la fonction désirée, il a reprécisé que l’optimisation topologique ne se limitait pas à la mécanique mais concernait aussi la thermique.

Il a ensuite présenté quelques avantages pratiques :

• Des pièces plus légères qui consomment moins d’énergie à mettre en mouvement, pendant toute la durée de vie de l’équipement.
• Une répartition optimisée de la matière qui réduit la consommation de matériaux et d’énergie lors de la mise en œuvre.
• Des designs « organiques » qui réduisent fortement les concentrations de contraintes, entrainant moins de risque de rupture (augmentation de la durée de vie).
• Une optimisation multi-physique (e.g. thermique, fluidique…) qui permet également une meilleure gestion/dissipation des perturbations/inhomogénéités, ce qui réduit la fatigue thermique, les vibrations, l’inertie associées.

De manière générale, l’efficacité globale du système ou du design conventionnel est augmentée.

Julien Magnien a ensuite précisé les technologies et les secteurs concernés, en illustrant ses propos par plusieurs exemples. En effet, l’optimisation topologique peut être mise en œuvre pour différents moyens de production, incluant la fonderie (par exemple pour un bras de robot ou une machine de chantier) et l’usinage pur (dans la masse), et ne se limite donc pas à la fabrication additive.

Pour les secteurs concernés, on peut citer l’automobile (vibration, aérodynamisme…), la construction (structures en béton), le médical (prothèse médical), l’aérospatial, l’injection plastique (amélioration de l’homogénéité du moule, ce qui permet une production plus élevée), l’électronique et les semiconducteurs (à l’échelle du nanomètre, l’homogénéité de température est primordiale pour avoir la précision nécessaire).

En conclusion, Julien Magnien a rappelé les gains significatifs de l’optimisation topologique, sur tous les plans, quand le problème est bien posé. Il a aussi souligné que, bien qu’on cherche à rendre cette technologie plus accessible, une expertise de contrôle n’est pas négligeable. Enfin, il a rappelé que l’optimisation topologique est applicable à de nombreuses technologies manufacturières.

Retrouvez ci-dessous les slides de la présentation d'Etienne Lemaire :