Conception pour la fabrication additive (DFAM)

Une impression 3D n’est pas meilleure que sa conception. Le matériel des imprimantes 3D s’est amélioré au point qu’il est désormais rarement le goulot d’étranglement des performances. Le plus souvent, la forme d’une pièce est le facteur limitant de ses performances. En tant que tel, il y a eu beaucoup de discussions et de recherches ces derniers temps sur conception pour la fabrication additive (DFAM). Nous avons récemment couvert les directives de conception pour les différentes technologies d’impression 3D, et c’est un point de départ important pour DFAM, mais cela n’inclut pas l’image complète. Alors que ces directives concernent les limites de l’impression 3D, l’autre composant de DFAM considère toutes les possibilités offertes par l’impression 3D.

Il existe trois principes principaux qui composent DFAM, bien qu’il y ait beaucoup de chevauchement entre eux et que certains objets incluront des aspects de chacun d’eux. Ces principes font partie de la consolidation des assemblages et des sous-assemblages, de la liberté géométrique et du biomimétisme.

Consolidation de pièces

La réduction du nombre de pièces dans un assemblage présente de multiples avantages. Une complexité réduite accélère la production et réduit les coûts, surtout si les différentes pièces sont produites par différentes entreprises utilisant différentes technologies de fabrication. Les assemblages consolidés présentent également une durabilité accrue en raison du nombre réduit de joints et de tolérances plus strictes, et des interfaces de pièce réduites signifient moins de vibrations et moins de chemins pour les fuites. Il y a aussi généralement une réduction de poids qui accompagne la consolidation car il n’est pas nécessaire d’utiliser des attaches comme des écrous et des boulons pour maintenir le tout ensemble.

Avec l’impression 3D, la consolidation des pièces peut réduire les assemblages de centaines de pièces à quelques-unes seulement. Les industries traversent actuellement une période de reconception d’assemblages, initialement conçus pour être produits à l’aide de techniques de fabrication traditionnelles, en des formes plus consolidées imprimables en 3D. DFAM est le plus efficace lorsqu’il est appliqué dès le début de la conception d’une pièce, mais il y a encore des gains à obtenir en l’appliquant à des pièces existantes.

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L’un des meilleurs exemples de consolidation de pièces avec l’impression 3D est le moteur Catalyst Advanced Turboprop de GE, qui est passé de 852 pièces à seulement 12 ; les ensembles roulement et carter ont été réduits de 80 pièces à 1 ! Et c’est avec l’impression 3D qu’un quart des pièces. La nouvelle conception brûle 1% de carburant en moins et pèse 5% de moins, des améliorations significatives pour un moteur conçu pour les avions.

Consolidation de pièces dfam
Le turbopropulseur Catalyst de GE est le premier moteur destiné à la production de masse avec de grandes sections imprimées en 3D à partir de métal. (Source : GE)

Airbus a également utilisé l’impression 3D pour consolider des pièces d’avions. Ils ont consolidé un composant hydraulique de 10 pièces à 1, réduisant son poids de 35 %. Un système complexe de tuyauterie avec de nombreux alésages transversaux a été entièrement éliminé, ce qui facilite l’entretien du composant. Le composant a été testé avec succès lors d’un vol d’essai sur l’A380.

Contenu des composants hydrauliques EOS Liebherr
Ce composant hydraulique de commande de vol en alliage de titane a été conçu pour AM et est maintenant 35 % plus léger que la version d’origine. (Source : Liebherr)

Liberté géométrique

Avoir la liberté de fabriquer une pièce dans la forme qui sert le mieux son objectif est un avantage unique de l’impression 3D. Les méthodes de fabrication traditionnelles encadrent les concepteurs et les ingénieurs dans des géométries faciles à fabriquer, telles que les angles durs et les trous circulaires produits par les machines CNC. Si la forme idéale qui donne la pièce la plus solide ne peut pas être fabriquée, les ingénieurs doivent compenser avec du matériau supplémentaire ou risquer de produire une pièce faible. Cela signifie généralement que les pièces sont sur-conçues avec un excès de matériau, car il vaut mieux utiliser un peu trop de matériau que d’avoir une pièce défaillante.

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Quand les gens disent que « la complexité est gratuite dans l’impression 3D », c’est à cela qu’ils font référence. Dans la plupart des cas, il ne coûte pas plus cher de produire une forme plus complexe en impression 3D. Lorsque les ingénieurs sont libres de déterminer la forme des composants, les composants auront moins de points de contrainte, des empreintes plus petites et des propriétés mécaniques supérieures. De plus, ils peuvent utiliser des outils de conception générative et d’optimisation de la topologie. Ces outils permettent aux ingénieurs de définir des paramètres de pièce tels que les points de montage et les contraintes environnementales sans dicter la forme exacte de l’objet ; les géométries sont générées par l’IA et exécutées à travers une série de simulations pour décider de la conception optimale. Les pièces générées de cette manière sont esthétiquement très différentes des pièces fabriquées de manière traditionnelle, avec des arcs larges et des vides irréguliers qui ne peuvent être produits qu’avec la FA.

GM et Autodesk ont ​​utilisé des outils de conception générative dans Fusion360 pour créer un support de siège de voiture qui a réduit l’assemblage de huit pièces à une ; il pèse 40 % de moins et est 20 % plus résistant.

support de siège de voiture dfam
Les ingénieurs de GM et d’Autodesk ont ​​collaboré pour créer ce support de siège de conception générative, qui regroupe huit pièces différentes en une seule. (Source : Fabrication additive. Média)

Ce support pour le centre de développement et d’ingénierie de recherche sur l’aviation et les missiles de l’armée américaine (AMRDEC) a également été généré avec une optimisation de la topologie et est nettement plus rigide que la pièce d’origine.

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Ce support a été imprimé en 3D en 2014 avec une imprimante 3D métal Eosint M 280.

Biomimétisme

Le biomimétisme est le concept d’amélioration de la fonctionnalité en incorporant des éléments de systèmes biologiques car la nature a eu quelques milliards d’années pour spécialiser certaines fonctions grâce au processus d’évolution. L’un des meilleurs exemples en est l’avion, dont les ailes sont formées et conçues pour fléchir comme les ailes des oiseaux. L’impression 3D permet aux concepteurs de modéliser des solutions basées sur les systèmes organiques présents dans la nature, qui sont généralement difficiles à produire avec la fabrication traditionnelle. Même les motifs de remplissage triangulaires et en nid d’abeille trouvés dans de nombreuses impressions FDM pourraient être attribués au biomimétisme, car ces motifs se retrouvent dans les structures des cellules végétales.

Les efforts en cours pour imprimer de l’os en 3D sont en partie motivés par le désir d’exploiter la structure interne qui confère à l’os sa flexibilité et son rapport résistance/poids élevé. En fait, Airbus imprime en 3D des cloisons modélisées d’après l’os.

Des chercheurs du Northeastern University College of Engineering s’inspirent des écailles de poisson pour imprimer des gilets pare-balles en 3D. Pour leur projet, la géométrie et la flexibilité étaient tout aussi importantes, de sorte que l’impression 3D était leur seule option de fabrication.

Ranajay Ghosh tient un modèle imprimé en 3D d'une écaille de poisson
Le chercheur scientifique Ranajay Ghosh tient un modèle imprimé en 3D d’une écaille de poisson qu’il a utilisé dans ses recherches sur le système d’armure. (Photo: Matthieu Modoono)

Que les ingénieurs essaient de réduire le nombre de pièces, d’améliorer les performances ou d’augmenter les fonctionnalités, ils utilisent les principes de DFAM pour optimiser l’efficacité globale de la fabrication de pièces avec la FA.

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