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B. A. BA de la conception générative

La conception générative est la prochaine frontière à franchir en conception CAO par les ingénieurs de pratiquement tous les secteurs de production industrielle. Elle exploite la puissance de l’intelligence artificielle (IA) pour développer de nouvelles itérations de modèles haute performance, ce qui aide à résoudre des problèmes complexes, à réduire le poids des composants et les coûts de fabrication, à adapter la personnalisation et à optimiser les performances.

Les modèles en treillis dense avec des caractéristiques extraordinairement complexes peuvent sembler exotiques, mais la conception générative a aujourd’hui d’innombrables applications pratiques.

Ce guide complet expose les principes de la conception générative, ses avantages, ses applications et la réalisation par impression 3D des modèles incroyables ainsi produits. Voici quelques études de cas réels et des conseils pratiques qui vous permettront de vous lancer dès maintenant.


Webinaire

An Introduction to Generative Design for Producing Lightweight Parts With 3D Printing

Dans ce webinaire, Jennifer Milne, responsable Marketing produits chez Formlabs, donne une présentation de ce qu’est la conception générative, structurée de façon à l’appliquer à la conception de pièces mécaniques. Familiarisez-vous avec la conception générative en l’essayant sur une pièce que vous avez déjà conçue ou que vous fabriquez déjà, grâce à un tutoriel pas à pas de Fusion 360, pendant lequel elle montre comment produire un support léger.


Qu’est-ce que la conception générative ?

Définition de la conception générative

C’est un processus d’exploration itérative de conception qui utilise un logiciel basé sur l’intelligence artificielle pour générer toute une gamme de solutions qui répondent à un ensemble de contraintes. Contrairement à la conception classique, pour laquelle le processus commence avec un modèle conçu à partir des connaissances d’un ingénieur, la conception générative démarre avec les paramètres de conception et emploie une intelligence artificielle pour générer le modèle.

Processus de conception générative. Tiré de l'ouvrage « Generative Design », écrit par H. Bohnacker, J. Laub, B. Groß, et C. Lazzeroni, 2009, Princeton Architectural Press. 

En modifiant les paramètres de conception d’une façon de plus en plus fine par une boucle de rétroaction, les ingénieurs trouvent des solutions hautement optimisées et adaptées à des problèmes délicats d’ingénierie de toute sorte, qui se posent lorsqu’ils cherchent à alléger ou renforcer un composant, et à le rendre plus rentable.

La différence entre l’optimisation topologique et la conception générative

Les termes de conception générative et d’optimisation topologique sont souvent repris dans le monde de la CAO, mais on pense souvent à tort qu’ils sont synonymes. 

L’optimisation topologique n’est pas une nouveauté. On en parle depuis au moins 20 ans et elle est largement présente dans les outils logiciels de CAO courants. Ce processus commence par la création d’un modèle CAO par un ingénieur, qui applique des charges et des contraintes en gardant à l’esprit les paramètres du projet. Le logiciel produit alors un seul modèle maillé optimisé que l’ingénieur peut évaluer. En d’autres termes, pour que l’optimisation topologique fonctionne, elle requiert un modèle conçu au départ par un humain, ce qui limite le processus, ses résultats et son échelle. 

Mais, d’une certaine façon, l’optimisation topologique est à la base de la conception générative. En effet, la conception générative conduit le processus une étape plus loin et supprime le besoin d’un modèle initial conçu par l’homme, en faisant le travail du concepteur à partir de l’ensemble prédéfini des contraintes.

Le nouveau rôle de l’ingénieur en conception générative

Le rôle de l’ingénieur évolue avec la technologie. La conception reposant de plus en plus sur des logiciels informatiques, la compréhension du fonctionnement des outils numériques pour résoudre des problèmes de conception est devenue essentielle pour les ingénieurs travaillant dans tous les secteurs. Auparavant, les ingénieurs conceptualisaient et testaient les itérations à l’aide de croquis et de modèles.

En utilisant les logiciels de conception générative, ils donnent maintenant des spécifications de performances de haut niveau et des structures générales de conception, puis laissent le logiciel s’occuper des détails. Le processus de définition de ces paramètres peut s’avérer particulièrement complexe lorsqu’il faut caractériser de nouveaux matériaux ou modéliser des problèmes ou des espaces de solution compliqués à définir.

Avec l’abandon des processus de conception traditionnels, les ingénieurs n’auront plus à trouver eux-mêmes des solutions de conception. En conception générative, ils devront plutôt articuler et affiner l’environnement dans lequel les solutions conçues pourront bien fonctionner. En laissant les ordinateurs faire ce travail à leur place, ils pourront se concentrer sur l’innovation et sur la résolution de problèmes particulièrement délicats.

Applications de la conception générative

La conception générative peut s’appliquer dans de nombreux secteurs, allant de l’aérospatiale à la fabrication de biens de consommation, en passant par l’architecture. Les ingénieurs qui utilisent la conception générative essayent souvent de résoudre des problèmes d’ingénierie complexes. Ces problèmes peuvent être de réduire les poids des composants et les coûts de fabrication, d’adapter la personnalisation des composants et d’optimiser leurs performances.

Les supports et les entretoises, des pièces pour lesquelles les forces appliquées sont bien définies, sont celles couramment traitées par conception générative.

Dans le secteur de la construction automobile, les ingénieurs utilisent la conception générative pour réduire le poids des composants, renforcer certaines parties, diminuer les coûts de production en regroupant certains composants en un seul, et réduire le délai de mise sur le marché de nouveaux produits.

De la même façon, dans le secteur des équipements sportifs, les concepteurs exploitent la conception générative pour obtenir des niveaux de performances élevés tout en minimisant les coûts de production. Dans le secteur de l’aérospatiale, la conception générative permet aux fabricants d’avions de ligne de réduire le poids des composants et de les renforcer, ce qui aide les lignes aériennes à diminuer les coûts de carburant et les émissions.

Avantages de la conception générative

Exploration simultanée de très nombreux modèles : un avantage notable de la conception générative est qu’elle permet d’explorer, de valider et de comparer des centaines de milliers d’options de modèles en même temps. Le logiciel est capable d’afficher et de comparer des options différentes de façon à ce que les ingénieurs puissent rapidement et efficacement trouver celles qui répondent le mieux aux paramètres et exigences d’un projet.

Temps de conception très court : l’exploitation de la conception générative pour trouver et tester des itérations de modèles complexes, rapidement, efficacement et à l’échelle, permet aux ingénieurs de réduire radicalement les durées de recherche et développement de nouveaux produits. Ainsi, les entreprises qui utilisent la conception générative obtiennent un avantage concurrentiel en accélérant la mise sur le marché de leurs produits.

Exploitation de procédés de fabrication avancés : la conception générative peut créer des modèles complexes, avec des caractéristiques organiques et des treillis internes, et tirer ainsi parti de la liberté qu’offrent les technologies de fabrication additive. Elle permet aussi de regrouper plusieurs pièces en une seule de manière à remplacer des assemblages de douzaines de pièces par une pièce unique de forme complexe créée par un algorithme génératif et imprimée en 3D. 

Outils logiciels de conception générative

Les personnes ayant l’expérience de la CAO peuvent facilement passer à un logiciel de conception générative. En plus des logiciels spécifiques de conception générative, de nombreux programmes de CAO proposent maintenant des outils de conception générative intégrés ou sous forme de plugins.

Toutefois, les logiciels spécialisés offrent plus de fonctionnalités que n’en proposent les logiciels de CAO traditionnels. Ces outils permettent aux utilisateurs de paramétrer des profils de conception à l’aide d’informations sur les forces appliquées, les matériaux, les coûts etc., ainsi que de définir des priorités parmi les paramètres et de les affiner sur la base de représentations graphiques des modèles. 

Voici une liste, loin d’être exhaustive, des logiciels offrant des fonctionnalités de conception générative : 

  1. Fusion 360 d’Autodesk : Fusion 360 propose aux utilisateurs un ensemble puissant d’outils de modélisation, notamment d’esquisse, de modélisation de type paramétrique, directe, de surface ou de maillage, de rendu, et bien d’autres. Ses fonctionnalités de conception générative permettent d’identifier les exigences de conception, les contraintes, les matériaux et les options de fabrication pour générer des modèles prêts à la fabrication. Parallèlement, il donne aussi la possibilité aux utilisateurs d’exploiter la puissance de l’apprentissage machine et de l’intelligence artificielle pour consulter sur le cloud des modèles existants, en fonction de similarités visuelles, de graphes et de filtres. En savoir plus ici.

  2. Creo Generative Design de PTC : exploitant le cloud, ce logiciel permet aux utilisateurs de concevoir des modèles optimisés, tout en explorant et testant rapidement de très nombreuses itérations. Il fait ressortir les versions qui satisfont au mieux les objectifs de l’utilisateur, sur la base des paramètres de conception qu’il a définis. Dans l’environnement de conception Creo, ce logiciel promet de générer des modèles de haute qualité, de moindre coût et en moins de temps que ses meilleurs concurrents. En savoir plus ici.

  3. nTop Platform de nTopology : le logiciel nTop Platform annonce un contrôle complet des utilisateurs sur tous les aspects du processus d’optimisation et de ses résultats. Tirant parti d’outils génératifs avancés, les utilisateurs peuvent créer des processus de travail personnalisés et réutilisables, adaptés aux exigences spécifiques d’une application. Ce logiciel propose notamment des fonctionnalités de modélisation implicite et de transformation en treillis, d’optimisation topologique, de processus de conception réutilisables, de conception par champ et de simulation d’analyses par éléments finis mécaniques et thermiques. En savoir plus ici.

  4. NX de Siemens : allant plus loin encore que la conception générative, ce logiciel propose la méthode des jumeaux numériques, qui offre à l’utilisateur une solution intégrée, souple et puissante permettant d’optimiser la conception et d’améliorer ses produits. NX associe l’interopérabilité en conception, la validation, la définition à partir de modèles et bien d’autres fonctionnalités qui aident les utilisateurs à accélérer la recherche et le développement de produits à moindre coût et en améliorant leur qualité. Vous trouverez plus d’informations ici.

  5. MSC Apex Generative Design de MSC Software : ce programme propose une solution de bout en bout pour fabriquer des composants métalliques de haute précision plus rapidement et avec moins d’interventions humaines que ses concurrents. MSC Software indique que des utilisateurs constatent une réduction du temps de conception et de paramétrage initiaux pouvant atteindre 80 %. En bref, le logiciel combine en un seul processus simplifié l’automatisation de la conception, de l’importation et de la validation et la sortie directe des résultats. Consultez ce programme ici.

Conception générative et impression 3D

Pourquoi la conception générative et l’impression 3D fonctionnent bien ensemble

Les algorithmes de conception générative créent souvent des formes organiques très efficientes avec des structures de support en treillis, coûteuses voire impossibles à fabriquer avec les procédés conventionnels comme le moulage par injection ou la fabrication soustractive comme l’usinage CNC. Les outils de fabrication avancés, comme l’impression 3D, également regroupés sous le nom de fabrication additive, sont essentiels pour des applications sensibles aux performances, pour lesquelles l’optimisation est primordiale.

L’impression 3D fonctionne bien avec la conception générative parce qu’elle permet de produire rapidement et de façon flexible un modèle haute résolution d’une ou plusieurs itérations de conception pour obtenir un produit final rentable. Généralement, d’un point de vue économique, la rentabilité de l’impression 3D augmente avec la complexité d’une itération de conception.

L’impression 3D est plus compétitive en termes de coûts pour des volumes de production faibles, car il n’est pas nécessaire de réaliser d’économie d’échelle pour compenser les coûts de mise en œuvre. De ce fait, elle facilite la production personnalisée de masse que la conception générative rend possible. Comme le coût de l’impression 3D continue à baisser et la diversité des matériaux à croître, l’impression 3D devient praticable pour des pièces de petites et de moyennes dimensions.

Études de cas : conception générative et impression 3D en action

Examinons deux exemples réels montrant que la conception générative et l’impression 3D fonctionnent bien ensemble.

WHILL, un constructeur japonais de véhicules électriques a utilisé la conception générative pour réduire le poids d’un boîtier de batterie, la pièce la plus lourde d’une chaise roulante motorisée portable.

WHILL, un constructeur japonais de véhicules électriques cherchait à améliorer la portabilité d’une chaise roulante motorisée portable en réduisant le poids de la pièce la plus lourde, le boîtier de batterie. Grâce au logiciel de conception générative Fusion 360 d’Autodesk, les ingénieurs de WHILL ont pu concevoir un modèle qui réduisait le poids de ce boîtier de 40 %.

L’équipe a utilisé une imprimante 3D stéréolithographique de bureau pour fabriquer le modèle pour le moulage à modèle perdu.

L’équipe de développement de produits a ensuite utilisé un procédé de fabrication novateur pour réaliser le modèle. Elle a séparé le modèle en quatre parties pouvant entrer ensemble dans le volume d’impression d’une  imprimante 3D stéréolithographique de bureau Formlabs, puis les a imprimées en Castable Wax Resin pour les mouler à modèle perdu. Les ingénieurs ont ensuite assemblé les pièces et fabriqué la pièce finale en métal par moulage en sable. Finalement, l’équipe a réalisé une avancée majeure grâce à l’impression 3D et à la conception générative en interne, ce qui a permis de réduire le coût final de fabrication de la chaise roulante WHILL en diminuant le nombre de pièces nécessaires.

La pièce produite à l’aide de la conception générative a réduit le poids du boîtier de batterie de 40 %.

New Balance, un fabricant de chaussures, a, comme WHILL, réalisé une avancée majeure grâce à la conception générative et l’impression 3D. New Balance a adopté une vision de long terme pour innover sur sa ligne de chaussures sur mesure. En 2015, l’entreprise a formé un partenariat avec le studio de conception numérique Nervous System pour s’engager dans un processus de conception générative dans le but de concevoir une semelle intermédiaire qui s’adapterait mieux aux performances de chaque coureur.

New Balance a travaillé avec Formlabs pour développer de A à Z un matériau entièrement nouveau dans le but de fabriquer des chaussures sur mesure et haute performance, avec des semelles modélisées par conception générative.

Ensuite, en 2017, New Balance a formé un partenariat avec Formlabs pour développer Rebound Resin, une résine photopolymère propriétaire, prête à la production, qui présente cinq fois plus de résistance au déchirement, trois fois plus de résistance à la rupture par traction et une valeur d’allongement deux fois plus élevée que les autres élastomères d’impression 3D du même type existants sur le marché. Ensemble, New Balance et Formlabs ont réalisé une avancée majeure en fabrication de chaussures et permis de proposer de meilleurs produits finis aux clients. 

Les deux entreprises continuent à travailler ensemble pour arriver finalement à produire en masse des chaussures de course sur mesure grâce à la conception générative et des matériaux d’impression 3D novateurs.

Commencer à utiliser la conception générative

Par où commencer ? Voici quelques pistes clés pour vous aider à trouver la vôtre :

Il est très facile de commencer. Si vous connaissez déjà la CAO, l’apprentissage de la conception générative ne sera pas trop long. Il est facile de faire de la conception générative appliquée à des problèmes bien définis et fermés. Elle est maintenant intégrée à de nombreuses suites de CAO qui proposent des essais de 30 jours.

La réduction du poids d’une pièce existante est un projet de départ intéressant. La réduction de poids d’une pièce existante est un bon point de départ, pour optimiser poids et performance, en supposant que les charges sont bien connues.

Diviser le projet à long terme en projets R&D plus petits. La conception générative et la fabrication additive requièrent des états d’esprit et des processus de travail différents pour les exploiter. Vous n’allez pas obtenir du jour au lendemain un produit imprimé en 3D personnalisé et aux performances optimisées, disponible dans le monde entier et capable de s’adapter à la demande. La plupart des projets réussis sont plutôt une série de projets itératifs et stratégiques.

Rechercher des partenaires technologiques pour bénéficier de leur expertise et leur assistance. De nombreuses entreprises de fabrication additive ou de logiciels ont mis à disposition des équipes dédiées, comme Formlabs Factory Solutions. Cherchez comment tirer parti de ces expertises pour démarrer et apprendre rapidement.

Conception générative : l’innovation de l’avenir

La conception générative joue un rôle de plus en plus central en conception de produits dans des secteurs très divers. La conception générative et l’impression 3D ouvrent la voie à l’optimisation et au sur mesure du futur, que ce soit pour réduire le poids d’un avion, rendre plus praticable une chaise roulante ou personnaliser une paire de chaussures de sport.

L’intelligence artificielle et la fabrication additive continuent à élargir les possibilités qu’offre la conception générative, et de plus en plus d’applications et d’avantages vont émerger grâce à ces technologies de pointe innovantes. 

Vous souhaitez en savoir plus sur la conception générative ? Regardez notre webinaire « Introduction à la conception générative pour la production de pièces légères par impression 3D », pour obtenir plus d’exemples et un tutoriel pas à pas de Fusion 360 montrant la production d’un support.