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Optimisation topologique d'une pièce de fonderie

L’optimisation topologique est de plus en plus utilisée dans la conception des pièces industrielles pour optimiser leur design en fonction d’une ou plusieurs contrainte(s) fonctionnelle(s) (tenue mécanique, allègement…). Cette nouvelle méthodologie en rupture permet des gains de temps (diminution des itérations de calcul) et une optimisation du design produit.

La conception traditionnelle, un long travail d’essais-erreurs

Pièce agricole avec zones à risques sollicitées mécaniquement (conception initiale).

En conception traditionnelle, un premier modèle numérique de la pièce (prototype virtuel) est testé à l’aide des différents outils de calcul de simulation numérique (mécanique…) pour prédire ses performances. Après analyse des résultats de calcul, la géométrie de la pièce est alors modifiée pour être re-testée numériquement. Cette démarche est ainsi itérée jusqu’à l’obtention d’une solution conforme aux exigences du cahier des charges fonctionnel initial.

L’efficacité de ce processus de conception est donc conditionnée par la capacité du concepteur à apporter rapidement des solutions appropriées et à limiter ainsi le nombre d’itérations. La démarche de conception numérique s’apparente souvent à un long travail d’essais-erreurs qui peine à converger vers la solution optimale. Il devient donc nécessaire d’intégrer des outils davantage en rupture pour optimiser ce processus de conception.

Principe de l’optimisation topologique en 2 étapes

L’optimisation topologique, qui permet de déterminer de manière itérative la répartition de matière idéale d’une pièce soumise à des sollicitations mécaniques, se décline en deux grandes étapes.

Volume de travail autorisé trop large conduisant à une géométrie complexe à réaliser (zone creuse à noyauter).

La première étape est le tracé automatique « ex-nihilo » de la géométrie de la pièce. Ce calcul d’optimisation automatique sera conditionné par quatre grandes familles de données d’entrée paramétrées par le concepteur. Tout d’abord, l’espace réellement disponible pour la conception (appelé « volume autorisé »), éventuellement plus grand que la pièce à reconcevoir. Puis, les surfaces de contact entre la pièce et les autres composants mécaniques du sous-ensemble. Ensuite, les différents cas de charge (en fonctionnement normal ou accidentel) et enfin, les contraintes géométriques spécifiques liées au process de fabrication (symétries, autorisation de volume creux ou non…, plan de joint). Ces contraintes géométriques vont permettre en particulier d’orienter le tracé vers une technologie pressentie.

L’étape suivante, réalisée par le concepteur, consiste à effectuer une reconstruction de la pièce en s’inspirant de la géométrie « idéale » – optimale fonctionnellement mais souvent géométriquement très complexe (de nombreuses zones creuses imbriquées) – et en la transformant en une « forme fabricable » et adaptée aux différentes contraintes du process de transformation notamment.

Influence du volume initial autorisé

De nombreux paramètres initiaux vont impacter sur les résultats des itérations de calcul et sur la géométrie obtenue. Parmi ces paramètres, le volume initial autorisé va fortement contraindre la géométrie.

Une pièce de charrue agricole en fonte moulée (Kuhn), qui présentait un risque de défauts dans des zones sollicitées mécaniquement a été reconçue avec le logiciel d’optimisation topologique OptiStruct (Altaïr). Deux volumes initiaux ont été testés : un volume très large et au contraire un volume plus réduit et proche de la géométrie de la pièce à reconcevoir.

Le volume très large a permis d’obtenir une pièce très rigide mais avec un fort encombrement et des contraintes induites sur la facilité de réalisation (noyautage) et un surcoût au niveau de la réalisation. Cette solution n’a pas été retenue.

Volume de travail plus limité conduisant à une géométrie optimisé topologiquement satisfaisante.

Au contraire, la deuxième solution, qui partait d’un volume plus réduit a convergé vers une solution plus convaincante. Après plusieurs itérations de calcul, on obtient une géométrie optimisée qui nécessite une reconception car les surfaces obtenues sont très facétisées. Il est donc nécessaire de redessiner la pièce afin d’améliorer sa fabricabilité mais également afin d’obtenir une CAO « propre » pour ensuite lancer un calcul de validation.

Validation finale et prototype fonderie

Le tracé de la pièce a ainsi pu à nouveau être optimisé en mettant en place des dépouilles d’auto-alimentation pour éviter les points chauds (retassures) dans la pièce. Le design fonderie obtenu au terme des différentes optimisations, a été validé au final par des calculs en statique.

Simulation numérique du remplissage et de la solidification (code QuikCAST) après étude de moulage (procédé sable à prise chimique).

Une fois le design figé et validé, le projet a été finalisé avec l’étude de moulage de la pièce et le dimensionnement de la grappe de coulée afin de valider l’aptitude de la pièce reconçue, à être réalisée en fonderie. La conception de moulage a ensuite été optimisée et validée par des simulations du remplissage et de la solidification (QuikCAST) avant de passer à la pièce prototype.

Avantages de la conception topologique

L’optimisation topologique est souvent perçue comme un outil de conception automatique qui va permettre principalement d’alléger une pièce. Cependant, sans l’expertise et le savoir-faire du concepteur, la conception topologique peut aboutir à des conceptions optimisées mécaniquement mais difficiles à réaliser. L’optimisation topologique, si elle peut être utilisée pour des réductions de masse, peut aussi être utilisée à bon escient dans le cadre d’une reconception « classique » et aboutir à des géométries optimisées inédites, en rupture avec la conception initiale.

Grappe de coulée de la pièce en fonte après optimisation topologique.

En effet, l’utilisation d’outils d’optimisation topologique génère des propositions de formes en rupture et auxquelles le concepteur « métier » n’aurait pas pensé naturellement. Ces nouveaux outils numériques permettent ainsi d’aller plus loin (et plus rapidement) dans l’optimisation du produit et amènent robustesse et performance pour ainsi tirer pleinement profit des possibilités offertes par les solutions de fonderie.

Au-delà de la fonderie, l’optimisation topologique est également utilisée avec d’autres procédés et en particulier en fabrication additive (technologie qui permet une très grande liberté de forme) pour les pièces à structure lattice.