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MÉTHODOLOGIE DE CONCEPTION ET
D’OPTIMISATION MULTIFONCTIONNELLE
D’UN SYSTÈME MÉCANIQUE POUR LA
FABRICATION ADDITIVE
1 2 - 0 9 - 2 0 1 7
ANF 2017
Myriam ORQUERA
2/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
PLAN
Les étapes clefs de la conception pour la FA
Les contraintes de la FA
Les libertés de la FA
Conception d’un système mécanique
Conclusion / perspectives
…/…
3/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
CONCEVOIR POUR LA F.A.
Définition
(Thompson et al. 2016)
“Le processus de fabrication additive
produit des objets physiques
à partir d’informations numériques,
et ce,
ligne par ligne, surface par surface, ou couche par
couche”.
…/…
4/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour la F.A.
piston
Chemise
Carter
Vilebrequin
Cahier des charges
Design space
None-Design space
Optimisation topologique
Reconception
Vérification EF
CONCEVOIR POUR LA F.A.
…/…
5/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour la F.A.
piston
Chemise
Carter
Vilebrequin
Cahier des charges
Design space
None-Design space
Optimisation topologique
Reconception
Vérification EF
CONCEVOIR POUR LA F.A.
…/…
6/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour la F.A.
piston
Chemise
Carter
Vilebrequin
Cahier des charges
Design space
None-Design space
Optimisation topologique
Reconception
Vérification EF
CONCEVOIR POUR LA F.A.
…/…
7/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour la F.A.
piston
Chemise
Carter
Vilebrequin
Cahier des charges
Design space
None-Design space
Optimisation topologique
Reconception
Vérification EF
CONCEVOIR POUR LA F.A.
…/…
8/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour la F.A.
piston
Chemise
Carter
Vilebrequin
Cahier des charges
Design space
None-Design space
Optimisation topologique
Reconception
Vérification EF
Triangularisation Tranchage Impression Post traitement
Finitions
CONCEVOIR POUR LA F.A.
…/…
9/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour la F.A.
piston
Chemise
Carter
Vilebrequin
Cahier des charges
Design space
None-Design space
Optimisation topologique
Reconception
Vérification EF
Triangularisation Tranchage Impression Post traitement
Finitions
CONCEVOIR POUR LA F.A.
…/…
10/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour la F.A.
piston
Chemise
Carter
Vilebrequin
Cahier des charges
Design space
None-Design space
Optimisation topologique
Reconception
Vérification EF
Triangularisation Tranchage Impression Post traitement
Finitions
CONCEVOIR POUR LA F.A.
…/…
11/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour la F.A.
piston
Chemise
Carter
Vilebrequin
Cahier des charges
Design space
None-Design space
Optimisation topologique
Reconception
Vérification EF
Triangularisation Tranchage Impression Post traitement
Finitions
CONCEVOIR POUR LA F.A.
Cadvision.fr
…/…
12/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour les procédés d’obtention classiques
Chaque procédé implique des règles de tracés
CONCEVOIR POUR LA F.A.
…/…
13/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Concevoir pour la Fabrication Additive
L’avantage principal de ce procédé :
On peut déposer la matière où l’on souhaite
L’inconvénient principal de ce procédé:
De nouvelles contraintes sont apparues
=> D’où la nécessité de nouvelles règles de tracé et
méthodologies
CONCEVOIR POUR LA F.A.
…/…
14/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Les contraintes principales de la FA
Volume maximal fabricable
Dimensions minimales
Enlèvement du support ou de la matière non fusionnée
L’orientation de la pièce influe
sur la rugosité
le temps de fabrication
la quantité de support…
…
CONTRAINTES DE LA F.A.
(Kruth et al. 2004) (Pandey et al. 2007)
…/…
15/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Les libertés principales de la FA
Fabrication de pièces élancées (difficiles à obtenir par
usinage)
Fabrication des formes complexes, surfaces gauches…
Flexibilité (modification très rapide de la forme et de la
production par rapport au moulage, forgeage…)
Réalisation pièces très légères de forme lattice (type
treillis, mousse)
Fabrication de pièces imbriquées, d’assemblage, ainsi que
la superposition de fabrication
Utilisation de matériaux difficile à usiner tels que le
titane, l’inconel, la céramique
…
LIBERTÉS DE LA F.A.
…/…
16/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Exemples
…/…
LIBERTÉS DE LA F.A.
(Panesar et al. 2014) (Cali et al. 2012)
(Calignano et al. 2014)
(Prévost et al. 2013) (Martínez et al. 2015)
(Tomlin 2011) (Vayre 2014) nanoscribe.de
poly-shape.com 3ders.org
nanoscribe.de
17/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Les méthodologies globales
Comment concevoir une mécanisme en
exploitant toutes les libertés de la FA pour
améliorer le fonctionnement, tout en répondant
aux contraintes du procédé?
[Ponche et al., 2014] [Vayre et al., 2012]
[Kumke et al., 2016]
E.B.M. process C.L.A.D. process Derivation of VDI2221
framework
CONCEPTION D’UN MÉCANISME POUR LA F.A.
…/…
18/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Etude de cas
Wobbler Engine – moteur à air
Wobbler Engine Multifonctional optimization methodology
[Orquéra et al 2017]
CONCEPTION D’UN MÉCANISME POUR LA F.A.
…/…
19/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Wobbler Engine principle Wobbler Engine’s rigid bodies
Aluminium alloy
Steel
Brass
Etude de cas
Wobbler Engine
CONCEPTION D’UN MÉCANISME POUR LA F.A.
…/…
20/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
θ
To ξ p
oc
c
Basic function: to transform
compressed-air to mechanical power
Selective Laser Melting S.L.M.
technology (Cr-Co or Al)
Size / Mass
Inlet pressure: 2,5 bars
Kinematic transmittance
Mechanical analysis
…
INTRODUCTION STAGE
…/…
21/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Mechanical power
Sub-assemblies functions
Functional surfaces
Design space / non design space Pneumatic flow
Connecting joint
Engine block
Oscillating cylinder
Piston
Crankshaft
Pivot joint Pivot joint
Cylinder joint Cylinder joint
Air Inlet Exhaust
Pressure Load
Torque
INTRODUCTION STAGE
…/…
22/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
o Which component for A.M.?
o Which component should be
bought?
o Which component should be
machined?
Crankshaft,
Guide shaft,
Bush bearings
are machined
[Klahn et al., 2014], [Burkhart, Aurich 2015], [Hällgreen et al., 2016],[Lindemann et al, 2015]
INTRODUCTION STAGE
…/…
23/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
o Architectural optimization
• Adapt joint’s center
• Downsizing
[Ren, Galjaard, 2015], [Cali et al., 2012]
DESIGN FOR A.M.
…/…
24/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Hyperworks software, from Altair
o Topology optimization
[Tomlin, Meyer, 2011], [Tang, Zhao, 2014]
DESIGN FOR A.M.
…/…
25/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
o Remodelling in CAD
[Adam, Zimmer, 2014] ,[Leary et al., 2014],[Kranz et al., 2015],[Cheng et al., 2015], [Reiher, Koch, 2015]
DESIGN FOR A.M.
…/…
26/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Design space’s inertia: Io
New boundaries conditions :
BCs(i)
Optimization
CAD’s Inertia : I(i)
Mechanical behavior: Mb(i)
( )
( 1)
Mb1
Mb
i
i
End
DESIGN FOR A.M.
…/…
27/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
« How to improve » questions
[Bin Maidin et al., 2012], [Schmerlzle et al. 2015], [Felber et al., 2016], [Leutenecker et al., 2016]
Mechanical power Pneumatic flow
Connecting joint
Engine block
Oscillating cylinder
Piston
Crankshaft
Pivot joint Pivot joint
Cylinder joint Cylinder joint
Air Inlet Exhaust
Pressure Load
Torque
DESIGN FOR A.M.
…/…
28/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Hydrostatic
bearing
Double wall for
an adiabatic
expansion
How to improve the
thermodynamic work?
DESIGN FOR A.M.
…/…
29/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Poor
behavior Structural behavior for each
rigid body
DESIGN FOR A.M.
…/…
30/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Adapting part
o Volume adapting from
bulky design space + FE
analysis
o Product simulation
DESIGN FOR A.M.
…/…
31/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
o Build direction optimization…
o Process constraints :
E.g. powder removing for SLM process
[Delfs et al., 2016], [Asadollahi-Yazdi et al., 2016]
DESIGN FOR MANUFACTURING
…/…
32/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
RESULTS
Classical methodology brings improvement in
terms of:
Mass, volume, inertia, stiffness …
Engine block
Oscillating cylinder
Piston
Crankshaft
Pivot joint Pivot joint
Cylinder joint Cylinder joint
Process chain for the design and optimization
of AM components [Altair, 2009]
…/…
33/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
RESULTS
In addition, the multi-functional methodology
improves more features like:
Pressure drop
Sealing
Friction
Thermodynamic work
…
Engine block
Oscillating cylinder
Piston
Crankshaft
Pivot joint
Cylinder joint Cylinder joint
Pivot joint
Air
Inlet Exhaust
Pressure Load
Torque
Pivot joint
…/…
34/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Design using a part-by-part
optimization
Design using the multifunctional
optimization methodology
Exhaust
air
Air
Tank
Air
supply
Capillary
screw
Drain
hydrostatic
bearing
RESULTS
…/…
35/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
RESULTS
In addition, the multi-functional methodology
improves more features like:
Pressure drop
Sealing
Friction
Thermodynamic work
…
Mechanical power Pneumatic flow
Connecting joint
Engine block
Oscillating cylinder
Piston
Crankshaft
Pivot joint Pivot joint
Cylinder joint Cylinder joint
Air
Inlet Exhaust
Pressure Load
Torque
…/…
36/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Design using a part-by-part
optimization
Design using the multifunctional
optimization methodology
RESULTS
…/…
37/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
CONCLUSION
Apparition de nouvelles contraintes à prendre en
compte et des nouvelles opportunités
Se libérer des méthodologies de conception pour les
procédés conventionels
Ec Eam1 Eam2
…/…
38/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
CONCLUSION
Perspectives
Tests
Méthodo inversée
Gain de masse :30,3%
…/…
Eam2
Ec
MERCI POUR VOTRE
ATTENTION
Avez-vous des questions?
Myriam ORQUERA SeaTech
Av de l’université
BP20132
83957 La Garde Cedex
40/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives
pour la FA d’un mécanisme
Résultats Comparaison coût matière
…/…
PRÉSENTATION DE LA THÈSE AVANCÉES DES TRAVAUX
Coût matière densité
chrome cobalt 220 €/kg 8,5 g/cm3
Aluminium 1,59 €/kg 2,7 g/cm3
cuivre 5,43 €/kg 8,4 g/cm3
acier 1,5 €/kg 8,01 g/cm3
Conventional First optimzed Multifunctionnal
optimized
Ec EAM1 EAM2 Volume (cm3) Coût € Volume (cm3) Coût € Volume (cm3) Coût €
Engine mount 40,13 0,17 20,37 38,09 20,65 38,62
Crankshaft 10,91 0,50 9,41 17,59 9,41 17,59
Piston 3,24 0,04 2,26 4,23 2,22 4,15
Swivel liner 8,27 0,38 5,16 9,65 3,86 7,22
total 62,50 1,09 40,40 69,56 38,43 67,58
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