Conception et optimisation des structures obtenues par Additive Layer Manufacturing

Abstract

Le développement récent des technologies de fabrication additive par couches (Additive Layer Manufacturing) a généré de nouvelles opportunités en termes de conception. Généralement, une étape d'optimisation topologique est réalisée pour les structures ALM. Cette tâche est aujourd'hui facilitée par des progiciels commerciaux, comme Altair OptiStruct ou Simulia TOSCA. Néanmoins, la liberté accordée par l’ALM est seulement apparente et des problèmes majeurs empêchent une exploitation complète et généralisée de cette technologie.La première lacune importante provient de l'intégration directe du résultat d'un calcul d’optimisation topologique dans un environnement CAO approprié. Quoi qu'il en soit, la géométrie optimisée résultante n'est disponible que sous une forme discrétisée, c'est-à-dire en termes d'éléments finis (FE) obtenus à la fin de l'optimisation. La frontière de la géométrie optimisée n'est pas décrite par une entité géométrique, par conséquent la topologie résultante n'est pas compatible avec les logiciels de CAO qui constituent l'environnement naturel du concepteur. Une phase de reconstruction CAO longue est nécessaire et le concepteur est obligé de prendre une quantité considérable de décisions arbitraires. Souvent la topologie CAO compatible résultante ne répond plus aux contraintes d'optimisation.La deuxième restriction majeure est liée aux exigences technologiques spécifiques à l’ALM qui doivent être intégrées directement dans la formulation du problème d'optimisation: considérer la spécificité de l’ALM uniquement comme un post-traitement de la tâche d’optimisation topologique impliquerait des modifications si importantes de la pièce que la topologie optimisée pourrait être complètement différente de la solution optimisée.Cette thèse propose une méthodologie générale pour résoudre les inconvénients mentionnés ci-dessus. Un algorithme d’optimisation topologique innovant a été développé: il vise à fournir une description de la topologie basée sur des entités NURBS et B-Spline purement géométriques, qui sont nativement CAO compatibles. Dans ce cadre, les analyses éléments finis sont utilisées uniquement pour évaluer les réponses physiques du problème étudié. En particulier, une entité géométrique NURBS / B-Spline de dimension D + 1 est utilisée pour résoudre le problème d’optimisation topologique de dimension D.L'efficacité de cette approche a été testée sur certains benchmarks 2D et 3D, issus de la littérature. L'utilisation d'entités NURBS dans la formulation de l’optimisation topologique accélère considérablement la phase de reconstruction CAO pour les structures 2D et présente un grand potentiel pour les problèmes 3D. En outre, il est prouvé que les contraintes géométriques, comme par exemple les épaisseurs minimale et maximale de matière, peuvent être efficacement et systématiquement traitées au moyen de l'approche proposée. De plus, des contraintes géométriques spéciales (non disponibles dans les outils commerciaux), par exemple le rayon de courbure local de la frontière de la phase solide, peuvent être formulées également grâce à la formulation NURBS. La robustesse de la méthodologie proposée a été testée en prenant en compte d'autres grandeurs mécaniques, telles que les charges de flambement et les fréquences naturelles liées aux modes de vibration.Enfin, malgré la nature intrinsèque de l'algorithme d’optimisation topologique basé sur les NURBS, certains outils ont été développés pour déterminer automatiquement le contour des pièces 2D sous forme de courbe et sous forme de surface dans le cadre 3D. L’identification automatique des paramètres des courbes 2D a été entièrement développée et un algorithme original a été proposé. Les principes fondamentaux de la méthode sont également discutés pour l'identification des paramètres des surfaces limites pour les pièces 3D.