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RÉSUMÉ
Cet article explore la fabrication additive (FA) et le dimensionnement des structures, en se concentrant sur une bride optimisée pour un bras
robotique. Il détaille l’optimisation topologique via SolidWorks®, visant à minimiser la masse tout en maximisant la raideur, avec des contraintes comme un coefficient de sécurité. La bride, initialement de 692 g, atteint 156 g (-78%) en aluminium et 67 g (-90%) en PA11. La FA permet de produire des pièces avec des géométries complexes, mais nécessite des supports et des ajustements des paramètres des procédés de fabrication ; cette méthodologie est détaillée.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Thomas BRETEAU : Professeur agrégé, INSA Rouen Normandie
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Rémy BLANC : Ingénieur méthodes, société MMB Volum-e
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Benoît VIEILLE : Professeur des universités, INSA Rouen Normandie et GPM (groupe de physique des matériaux)
INTRODUCTION
Qu’il s’agisse de pièces de fusées, d’automobiles, de ponts ou de viande, la fabrication additive (FA) bouleverse les idées reçues et redéfinit complètement le champ des possibles dans de très nombreux domaines d’activité. Mais, comme toute nouveauté, le procédé suscite autant d’espoir qu’il réserve de surprises (bonnes ou mauvaises) à celles et ceux qui souhaitent utiliser ce nouveau moyen de fabrication. Plus connue sous la dénomination « impression 3D », la fabrication additive consiste à venir déposer de la matière (plastique ou métallique principalement) de manière spécifique pour répondre à certaines contraintes de géométrie, poids, optimisation des propriétés mécaniques ou physiques. On retrouve ainsi cette technique de fabrication de manière générale chez des particuliers, dans les ateliers de prototypage et dans les industries de pointe telles que l’aérospatiale et l’aéronautique. Le principe de base est assez simple : il consiste à agréger de la matière par couches successives dans un environnement souvent contrôlé (température et composition gazeuse). La matière première peut prendre différentes formes : solide (filament), poudre, liquide. Dans le domaine de l’ingénierie mécanique, le problème fondamental concerne le lien entre le procédé de fabrication (ou d’impression), la matière et la géométrie de la pièce finale. Le choix de la technologie de fabrication additive et du matériau va être conditionné par plusieurs facteurs comme la complexité géométrique, les dimensions, les propriétés matériau ou le prix.
Qu’elle soit alternative ou complémentaire des techniques conventionnelles par enlèvement de matière ou déformation plastique, la FA révolutionne de nombreux domaines industriels. De la réalisation de pièces monolithiques à forte valeur ajoutée à la fonctionnalisation, en passant par le prototypage rapide, les possibilités sont multiples. La chaîne de valeur de la FA est cependant plus complexe. Outre les moyens de fabrication spécifiques sur lesquels elle repose, elle nécessite des règles de conception fondamentalement différentes car elle impose de nouvelles contraintes techniques. De la CAO, du choix matériau ([BM 7 935] et [BM 7 937]) au programme machine et à l’industrialisation, il faut ainsi redéfinir complètement la manière de penser du cahier des charges à la maintenance des produits issus de la FA.
MOTS-CLÉS
fabrication additive optimisation topologique règles de conception en FA gamme de fabrication procédé laser powder bed fusion
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4. Conclusion
Cet article, consacré à la fabrication additive (FA) et au dimensionnement des structures, met en lumière le changement d’approche associé à la FA dans la conception et la production de pièces complexes. Le fil conducteur choisi pour illustrer les spécificités de la chaîne de valeur de la FA est une bride optimisée pour un bras de robot d’usinage. Voici les points essentiels à retenir.
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Optimisation topologique pour des performances accrues : l’utilisation de logiciels comme SolidWorks®, qui repose sur la méthode SIMP, permet une réduction significative de la masse (de 692 g à 156 g en aluminium, – 78 %, et 67 g en PA11, – 90 %) tout en maintenant la raideur et en respectant des contraintes mécaniques, telles que le coefficient de sécurité ou les déplacements maximaux. Cette approche guide le concepteur vers des géométries organiques, exploitant la liberté de forme offerte par la FA.
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Intégration des contraintes de fabrication : la FA, notamment via le procédé L-PBF, exige une prise en compte des contraintes process (supports, surépaisseurs d’usinage, orientation des pièces) dès la phase de conception. Les supports, essentiels pour limiter les déformations thermiques, peuvent être intégrés comme éléments fonctionnels (nervures, raidisseurs) pour améliorer la raideur tout en optimisant la masse.
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Comparaison économique et environnementale : la FA se révèle compétitive pour des géométries complexes ou des petites séries, mais son coût dépend du nombre de pièces et de la complexité géométrique. Comparée à l’usinage traditionnel, elle réduit les besoins en matière première et génère moins de déchets mais les rend souvent plus complexes à traiter. Les poudres perdues au dépoudrage sont contaminées avec différents lots et matériaux, celles perdues lors de la fusion se retrouvent dans des systèmes de filtration (mélangées à de la poudre brûlée, hautement inflammable) ou encore les fins de lots de poudres qui ne peuvent être exploités constituent des déchets pour lesquels les filières de recyclage sont encore inexistantes.
En somme, la FA révolutionne le dimensionnement en permettant des conceptions légères et performantes, mais impose une révision complète des méthodologies, du cahier des charges à la fabrication, pour...
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BIBLIOGRAPHIE
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(5) - NADAMMAL (N.), MISHUROVA (T.), FRITSCH (T.), SERRANO-MUNOZ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Fabrication additive – Principes généraux – Fondamentaux et vocabulaire ISO/ASTM 52900 - ISO/ASTM - 2021
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Fabrication additive – Principes de qualification – Exigences pour les procédés et les sites industriels de production en fabrication additive ISO/ASTM 52920 - ISO/ASTM - 2023
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Fabrication additive – Principes de qualification ISO/ASTM 52954-1 (rédaction en cours) - ISO/ASTM -
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Fabrication additive – Vocabulaire, NF E 67-001 - AFNOR - 2011
ANNEXES
Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Fabrication additive haute performance – prototypage, fabrication série et R&D VOLUM-e – https://www.volum-e.com
Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut national des sciences appliquées (INSA) Rouen Normandie – https://insa-rouen.fr/ Groupe de physique des matériaux (GPM) – UMR CNRS 6634 – https://gpm.univ-rouen.fr/
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