Le b.a-ba de l'optimisation topologique : comment utiliser des modèles algorithmiques pour concevoir des pièces légères

Quel est le juste milieu entre design et fonctionnalité ? Alors que la conception assistée par ordinateur (CAO) ne cesse d'évoluer et que les techniques de fabrication avancées comme l'impression 3D permettent de créer des pièces complexes plus facilement que jamais, les concepteurs et les ingénieurs peuvent tirer parti des logiciels d'optimisation topologique pour repousser les limites du possible et trouver de nouvelles façons de maximiser l'efficacité de leurs conceptions.

Découvrez l’optimisation topologique, ses avantages et ses applications, ainsi que les outils logiciels que vous pouvez utiliser pour vous lancer.

L'optimisation topologique (TO, topology optimization) est une méthode qui utilise des modèles algorithmiques pour optimiser la disposition des matériaux dans un espace défini par l'utilisateur pour un ensemble donné de charges, de conditions et de contraintes. La TO maximise les performances et l'efficacité de la conception en retirant les matériaux superflus des zones qui n'ont pas besoin de supporter des charges importantes, afin de réduire le poids ou de résoudre des problèmes de conception tels que la réduction des résonances ou des contraintes thermiques.

Les conceptions produites à l'aide de l'optimisation topologique comprennent souvent des formes libres ou complexes qui sont impossibles à fabriquer avec les méthodes de production traditionnelles. Cependant, les conceptions TO sont parfaitement adaptées aux processus de fabrication additive, dont les règles de conception sont plus flexibles et qui peuvent facilement reproduire des formes complexes sans coûts supplémentaires.

Les termes de conception générative et d’optimisation topologique sont souvent utilisés 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 enlève alors le matériau excédentaire et produit 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 repousse les limites 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.

L'optimisation topologique intervient généralement vers la fin du processus de conception, lorsque la pièce souhaitée doit avoir un poids inférieur ou utiliser moins de matériaux. Le concepteur essaie ensuite d'appliquer différents paramètres prédéfinis, tels que les charges appliquées, le type de matériau, les contraintes et l'agencement.

L'optimisation topologique structurelle détermine d'abord l'espace de conception minimal admissible nécessaire à l'optimisation de la forme du produit. Le logiciel d'optimisation topologique exerce ensuite virtuellement une pression sur la conception sous différents angles, teste son intégrité structurelle et identifie les matériaux inutiles. 

La technique la plus courante et la plus pratique pour l'optimisation topologique est la méthode des éléments finis (FEM, finite element method). Tout d'abord, la FEM analyse la conception géométrique pour l'espace minimum autorisé (ainsi que d'autres facteurs) et décompose la conception en plusieurs parties. Elle teste ensuite la rigidité, la conformité et identifie les matériaux superflus de chaque élément fini. Enfin, la FEM assemble les pièces pour finaliser la conception complète.

Pour valider la conception, il convient de choisir entre une valeur de 0 et 1 pour déterminer le champ de densité des éléments. Une valeur de 0 vide le matériau dans une région donnée de la structure, tandis qu'une valeur de 1 indique que la région désignée est un matériau solide. Le concepteur peut alors dépouiller le modèle de tous les matériaux inutiles et finaliser l'optimisation topologique de la conception.

Avant l'apparition de la fabrication additive, les concepteurs rejetaient un grand nombre de formes complexes obtenues par optimisation topologique, car elles étaient trop compliquées à fabriquer.

Les ingénieurs ont besoin d'une bonne raison pour s'écarter des méthodes de conception et de fabrication classiques. Si une conception innovante ne coûte pas moins cher, ne fonctionne pas mieux ou ne fait pas gagner de temps, un fabricant ne verra guère de raison de la modifier. Examinons les avantages de l'optimisation topologique.

De nombreuses formes complexes issues de l'optimisation topologique seraient trop chères à fabriquer avec des méthodes de fabrication traditionnelles. Mais avec l'impression 3D, cette complexité n'entraîne aucun coût supplémentaire.

Imprimer des pièces en 3D peut toujours être plus coûteux que fabriquer de manière traditionnelle des pièces non optimisées, mais ces conceptions légères peuvent offrir aux fabricants des avantages plus importants :

• Meilleur rendement énergétique, car il faut moins d'énergie pour mettre les pièces en mouvement grâce à la diminution des frottements (avions, automobiles)

• Réduction des coûts d'emballage et de transport

• Moins de machines lourdes nécessaires pour les chaînes de montage

L'optimisation topologique peut résoudre des problèmes courants dans le processus de conception, comme par exemple :

• Lorsque la force produite par une forme dans un système l'emporte sur le système, une résonance peut se produire. Cela peut entraîner une déformation mécanique, une réduction de la structure mécanique et des émissions polluantes.

• La contrainte thermique désigne toute modification de la température d'un matériau (due à la friction ou à d'autres facteurs) entraînant une fatigue et une déformation thermiques au sein d'un système.

Parfois, l'optimisation de la conception consiste à équilibrer des fonctions objectives, comme la taille et le poids. Par exemple, les pièces aérospatiales sont légères, mais elles doivent aussi résister à énormément de torsions, de contraintes et de chaleur. Un algorithme peut équilibrer une conception pour tenir compte de chacune de ces fonctions objectives et trouver le point idéal.

Bien que l'utilisation d'un logiciel d'optimisation topologique nécessite toujours une expertise importante, les outils TO peuvent produire rapidement des conceptions très performantes qu'un ingénieur ne pourrait pas créer manuellement. Cela permet de consacrer moins de temps et d'énergie à la conception CAO et d'obtenir des résultats finaux fiables avec moins d'itérations de conception. 

En ce qui concerne la fabrication des pièces, les procédés de fabrication additive permettent également de produire rapidement des pièces finales, car ils ne nécessitent pas d'outillage qui prendrait des semaines voire des mois à fabriquer avec des méthodes de fabrication traditionnelles.

La création de produits plus petits et plus légers réduit l'empreinte carbone globale du fabricant car ils nécessitent moins de matériaux de construction. Par rapport aux outils traditionnels de fabrication soustractive, les pièces produites par des procédés additifs nécessitent généralement moins de matières premières et produisent moins de déchets.

Souvent, les économies les plus importantes sont générées pendant la durée de vie des pièces. Par exemple, les pièces légères pour les avions réduisent leur impact environnemental, car ils nécessitent moins de carburant.

À la base, l'optimisation topologique consiste à éliminer les erreurs. En effectuant des tests de résistance, le processus tient compte d'un large éventail de variables et évite les hypothèses hasardeuses qui pourraient conduire à des produits défectueux.

Les conceptions de haute performance, efficaces et légères que permettent les techniques d'optimisation topologique sont utilisées dans un large éventail de secteurs. 

En raison de l'importance de la réduction du poids, l'optimisation topologique est fréquemment utilisée dans le domaine de l'ingénierie aérospatiale et de l'aéronautique. La TO a été utilisé, par exemple, pour améliorer la conception de l'agencement des structures de cellules d'avion, telles que les nervures de raidissement ou les supports d'avion.

En plus d’alléger les structures, l'optimisation topologique donne accès aux avantages des technologies de fabrication avancées telles que la fabrication additive ou les matériaux composites, qui sont de plus en plus populaires dans le secteur. 

Dans l'industrie automobile, l'optimisation topologique permet de trouver un équilibre entre, d'une part, la légèreté des pièces pour le rendement énergétique et la puissance et, d'autre part, la stabilité et la solidité d'une carrosserie capable de résister aux torsions et aux chocs. 

Outre les économies qu'elle engendre, l'optimisation topologique peut également améliorer la sécurité des passagers en modifiant la manière dont une structure s'effondre lors d'un accident.

La fabrication additive est idéale pour créer des implants médicaux, car elle permet aux professionnels de la santé de créer des formes et des surfaces libres, ainsi que des structures poreuses. Grâce à l'optimisation topologique, les conceptions peuvent présenter des structures en treillis plus légères, permettant une meilleure ostéointégration et une durée de vie plus longue que les autres implants.

Les outils TO peuvent également optimiser la conception des échafaudages biodégradables pour l'ingénierie tissulaire, les implants poreux et l'orthopédie légère. Les applications nanotechnologiques telles que la manipulation des cellules, la chirurgie, les microfluides et les systèmes optiques font également appel à l'optimisation topologique. 

De plus en plus de concepteurs prennent conscience de la polyvalence, de la rapidité et de la robustesse de l'optimisation topologique. Les éditeurs de logiciels réagissent à la demande en proposant des outils adaptés, soit en les ajoutant leurs offres existantes, soit par le biais de nouvelles solutions logicielles.

Voici quelques exemples de logiciels d'optimisation topologique :

• nTopology offre un « ensemble unique d'outils de conception générative et de capacités d'automatisation » et accélère le processus de conception en combinant géométrie avancée, simulations et données expérimentales. Son moteur de géométrie convient pour toute une série d'applications, de l'aérospatiale à l'automobile en passant par la conception de casques de football américain et les dispositifs spécifiques aux patients dans le domaine médical.

• Les solutions de simulation SOLIDWORKS intègrent l'optimisation topologique dans leurs outils d'analyse structurelle et proposent plusieurs méthodes pour ramener ces conceptions optimisées dans un environnement de CAO.

• La plateforme de CAO basée sur le cloud Fusion 360 d'Autodesk offre une optimisation des formes et des fonctionnalités avancées telles que la vérification de la conception pour des outils de fabrication traditionnels et numériques comme l'impression 3D.

• Le logiciel de conception générative Creo 7.0 comprend l'extension Generative Topology Optimization (optimisation générative et topologique), qui permet aux utilisateurs de tenir compte des contraintes et des exigences du produit, ainsi que « d'explorer rapidement des options de conception innovantes afin de réduire la durée et les dépenses du développement ».

• Altaire OptiStruct intègre l'optimisation et l'analyse des structures. Spécialisé dans la légèreté et l'efficacité structurelle, ce logiciel offre une méthode exclusive d'optimisation topologique pour la conception de structures en treillis. Son environnement multiphysique intégré, qui comprend le transfert thermique, les vibrations et l'acoustique, la dynamique des rotors, ainsi que la rigidité et la stabilité, facilite la conception dans des domaines tels que l'électronique grand public, la modélisation aéronautique et les technologies médicales.

• Tosca Structure fonctionne avec des logiciels d'analyse par éléments finis et propose des modèles de simulation réalistes avec la possibilité de modifier la géométrie rapidement et de manière fiable. Sa capacité de transformation permet d'optimiser une forme pour obtenir un élément maillé fini en sautant les étapes intermédiaires, ce qui est particulièrement important pour les concepteurs de structures mécaniques.

Les ingénieurs ont de plus en plus recours à des méthodes innovantes pour concevoir des prototypes, des pièces de machines et des biens de consommation. 

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Source de l'image de couverture : nTopology