Même les meilleures solutions peuvent être repensées - c'est particulièrement vrai dans le domaine de la fabrication additive. Après tout, par rapport à la fabrication conventionnelle, l'impression 3D offre de nombreuses possibilités de "repenser" les pièces existantes et d'en optimiser ainsi la conception.
En particulier dans la construction de véhicules ou l'aérospatiale, les structures en treillis ou les structures bioniques permettent une réduction significative du poids des composants - la base parfaite pour minimiser la consommation d'énergie et augmenter la stabilité en même temps. Dans cet article, découvrez comment les composants existants peuvent être optimisés pour l'impression 3D en utilisant l'optimisation de la topologie, l'optimisation FEM et une pensée innovante dès la phase de conception.
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Avant la première réflexion autour d'une éventuelle optimisation des composants existants, il y a une question avant tout : Quand les ajustements sont-ils vraiment utiles ? Car une chose est claire : tout ce qui peut être fait ne doit pas être fait. Car aussi efficaces que soient les méthodes modernes et numériques d'adaptation des composants, il faut toujours consacrer du temps et donc de l'argent à ce travail.
L'optimisation vaut généralement la peine pour :
L'optimisation des composants existants est également recommandée si les ajustements minimisent le poids global du composant et - idéalement - augmentent simultanément sa résistance mécanique. Un poids réduit signifie une économie de matériau qui peut ne représenter que quelques grammes pour un seul composant, mais qui, à l'échelle de nombreux composants de la même série, a un effet économique (prix) très important.
Image : pour une conception de porte-roue qui doit être aussi légère que possible, le passage à l'impression 3D en vaut vraiment la peine.
Les procédés de fabrication additive offrent aux concepteurs une liberté maximale pour transformer les idées en conceptions. En particulier, les structures bioniques - des géométries organiques inspirées de la nature - peuvent permettre de réduire le poids, d'augmenter la rigidité de la conception globale ou d'optimiser la répartition des charges sur le composant. L'impression 3D permet de produire les structures les plus complexes, qu'il serait impossible de fabriquer à l'aide des procédés de fabrication conventionnels, ou seulement à des coûts extrêmement élevés.
Pour qu'un composant puisse être optimisé pour l'impression 3D, une chose est d'abord nécessaire : le composant doit être "entièrement repensé" du point de vue de la conception. Des logiciels puissants sont utilisés comme support précieux pour ce processus initial. L'optimisation topologique numérique ou l'optimisation FEM produit des formes qui ne peuvent être fabriquées avant l'introduction des méthodes de fabrication additive.
Image : "Repenser un composant fonctionne souvent mieux en équipe que seul.
Repenser le composant signifie également que non seulement le composant existant est examiné et analysé pour d'éventuelles adaptations, mais aussi et surtout les "pièges". Des facteurs tels que le domaine d'application ou la fonctionnalité se reflètent directement dans une adaptation de la conception. Des composants qui étaient auparavant constitués de plusieurs éléments individuels peuvent, par exemple, être combinés en un seul composant après une optimisation de la topologie. Ou bien, après une optimisation FEM, il est possible de créer des géométries totalement nouvelles, qui, il y a quelques années encore, n'étaient au mieux concevables que dans le domaine de la science-fiction.
Le principe de base lors de l'optimisation de composants existants pour l'impression 3D devrait toujours être la pensée et l'approche innovantes : Jetez les vieilles normes par-dessus bord et exploitez les nouvelles possibilités de la fabrication additive.
Nous avons parlé de l'optimisation topologique et de l'optimisation FEM à plusieurs reprises. Mais savez-vous ce qui se cache derrière ces termes ? Nous avons rassemblé les informations les plus importantes sur les méthodes actuellement les plus pertinentes pour optimiser les composants existants. Le site Optimisation de la topologieL'optimisation FEM est une méthode numérique dans le domaine de la construction, dans laquelle une distribution optimale des matériaux dans un volume donné est trouvée à l'aide de formules mathématiques. À cette fin, les données relatives à la charge mécanique d'un composant sont introduites dans un environnement logiciel - et le logiciel génère une proposition de géométrie initiale à partir de ces données.
Il est également testé dans l'environnement logiciel pour différentes charges et forces agissantes. Les contraintes qui en résultent sont enregistrées et analysées. Dans la dernière étape, une conception optimale est développée en ajustant la géométrie. L'optimisation de la topologie permet de définir un composant en fonction de facteurs tels que les charges mécaniques, les propriétés géométriques et, bien sûr, le matériau utilisé - et donc de réduire le poids ou d'obtenir une augmentation de la charge tout en conservant le même poids.
Image : plusieurs étapes vers le composant optimisé
La méthode des éléments finis (FEM) est une autre approche mathématique dans le domaine de l'optimisation des composants existants. Grâce à des calculs mathématiques complexes, l'optimisation FEM permet d'adapter parfaitement les dimensions d'un composant à la force, à la pression et aux accélérations auxquelles le composant sera soumis lors de son utilisation ultérieure. L'optimisation FEM montre où il est possible d'économiser du matériau sans compromettre la sécurité du produit.
Image : Visualisation du calcul FEM
Les deux méthodes servent de base aux décisions de conception afin de pouvoir produire des géométries complexes sans effort supplémentaire - et en même temps de produire le composant le plus économiquement possible. En particulier dans le domaine de la construction légère, la topologie et les méthodes FEM donnent lieu à de nouvelles approches de conception telles que les structures en treillis.
"Lattice" est le terme anglais pour "framework" - et fait référence à la structure interne variable des composants, qui est définie par des chemins de charge similaires à ceux des couronnes d'arbres ou des structures osseuses. Il en résulte des structures organiques qui économisent du matériau tout en augmentant considérablement la résistance des composants.
Jusqu'à présent, nous n'avons envisagé que l'optimisation de la conception basée sur des calculs théoriques dans des environnements logiciels et guidée par les processus de pensée créative des concepteurs. Cependant, à la fin du processus, un composant théorique optimisé doit également devenir une pièce imprimée en 3D. Par conséquent, la conception doit toujours être adaptée à la technologie d'impression utilisée.
Le facteur le plus important est le choix du matériau requis pour l'impression 3D, car il détermine la technologie à utiliser. Cette technologie définit à son tour les épaisseurs de paroi possibles, les structures de support éventuelles, ainsi que la vitesse d'impression, etc. Dans ce domaine d'optimisation, il est recommandé de travailler en étroite collaboration avec l'entreprise de fabrication sous contrat afin d'intégrer les caractéristiques spécifiques de chaque technologie d'impression 3D dans le processus de conception.
Images : Technologies SLM, SLA, SLS, FDM.
L'optimisation des composants existants n'est pas toujours nécessaire - mais dans de nombreux cas, elle est très judicieuse. En adaptant la géométrie d'un composant à l'impression 3D, on peut économiser du poids, améliorer les propriétés mécaniques et réduire les coûts. Les méthodes d'optimisation mathématiques assistées par logiciel aident les concepteurs à envisager les composants d'une manière totalement nouvelle et à mettre en œuvre des conceptions qui, il y a quelques années seulement, relevaient du domaine de l'imagination. Lorsque vous optimisez des composants existants pour la fabrication additive, vous devez :
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