Pourquoi cela ne fonctionnait plus depuis 30 ans et comment nous avons enfin réussi à y remédier.
Les pièces qui sortent de votre imprimante 3D ne correspondent pas à celles modélisées lors de votre simulation par éléments finis. Tous les ingénieurs qui travaillent avec l'impression 3D FDM en sont conscients, à des degrés divers. La plupart ont trouvé des solutions de contournement. Rares sont ceux qui ont ouvertement évoqué les raisons de ce problème, et encore plus rares ceux qui l'ont traité à la racine.
Effectuez une analyse de contraintes par FEA standard sur un fichier CAO que vous vous apprêtez à imprimer sur une imprimante 3D FDM, et vous obtiendrez un résultat : des graphiques de contours nets, des prévisions de rupture, qui semblent fiables. Le problème, c’est que pratiquement rien de tout cela ne tient compte de la manière dont le processus de fabrication va modifier le résultat.
L'analyse par éléments finis (FEA) traditionnelle part du principe que la pièce analysée est isotrope et homogène. Cette hypothèse fonctionne raisonnablement bien pour le moulage par injection, l'usinage CNC et d'autres processus de fabrication conventionnels. Pour les pièces imprimées en 3D par FDM, elle est fondamentalement insuffisante.
Une pièce FDM est un empilement de cordons déposés, chacun façonné par le parcours d’outil qui l’a déposé, lié aux cordons adjacents par un processus thermique qui varie à travers le volume d’impression. Les propriétés de matériaux dans la direction du dépôt des cordons sont sensiblement différentes de celles perpendiculaires à celle-ci. La densité de remplissage, le motif et l’orientation influencent tous les performances structurelles d’une manière qu’un modèle d’analyse par éléments finis (FEA) standard ne peut tout simplement pas rendre compte.
La réponse courante consiste à appliquer un facteur de sécurité très élevé, souvent utilisé pour compenser le fait de ne pas tenir compte des parcours d’outil. Selon les conditions de charge, cela peut constituer une approximation raisonnable, mais ce n’est généralement pas le cas. Ce facteur peut s’avérer trop prudent lorsque la réduction du poids est une priorité, et pas assez prudent pour des modes de défaillance qu’il n’a jamais été conçu pour prévoir. Il en résulte une pièce imprimée en 3D surdimensionnée, plus lourde et plus coûteuse qu'elle ne devrait l'être. Et pour les applications soumises à des charges, un risque qui n'a pas été correctement quantifié ne disparaît pas simplement parce qu'un coefficient de sécurité a été appliqué.
Les logiciels d’analyse par éléments finis (FEA) disponibles dans le commerce n’ont pas été conçus pour le FDM ni, plus généralement, pour l’impression 3D. La plupart des outils de simulation dominants ont été développés sur la base d’hypothèses propres à la fabrication conventionnelle : matériaux homogènes, géométries stables, conditions de processus prévisibles. Les progrès réalisés dans la simulation de la fusion sur lit de poudre ont été significatifs, et la raison en est instructive. Dans les systèmes de fusion sur lit de poudre, la quantité totale de matériau dans l'enceinte de fabrication reste relativement constante, seule une zone localisée étant exposée à la source de chaleur à un moment donné. Cette uniformité des pièces permet de modéliser les contraintes résiduelles, les déformations et les défauts de fabrication avec une exactitude dimensionnelle raisonnable.
Plusieurs approches ont été testées tant dans le milieu universitaire qu’en industrie, et chacune se heurte à un obstacle spécifique. L’utilisation de modèles de matériaux anisotropes et de la théorie des stratifiés composites permet de rendre compte des faiblesses inter-couches, mais ne tient pas compte de l’anisotropie fine résultant des contours variant en continu, des inversions de trame et des orientations changeantes des matériaux. La modélisation de chaque cordon est en principe physiquement exacte, mais immédiatement irréalisable pour toute pièce de production : le nombre d’éléments de maillage devient un problème de calcul insurmontable avant même d’avoir résolu le problème de la génération d’un maillage raisonnable. L’homogénéisation basée sur des cellules unitaires applique les propriétés de matériaux à des éléments bien plus grands que les cordons individuels, mais suppose une structure matérielle périodique que le procédé FDM enfreint systématiquement. Les courbes de niveau suivent les contours de la pièce, les motifs de remplissage changent de direction au niveau des parois, les inversions de trame créent des orientations localement distinctes, et les zones de remplissage clairsemées ne se comportent en rien comme les zones denses. La propriété homogénéisée attribuée à un élément donné est, au mieux, une moyenne et, au pire, attribue avec certitude des propriétés erronées aux contours, aux concentrations de contraintes et aux parois minces les plus susceptibles de déterminer la rupture.
Chaque approche partage la même cause profonde d’échec : considérer le parcours d’outil comme un élément secondaire plutôt que comme la donnée principale. Il en résulte des approches soit trop coûteuses, soit largement inadéquates — et un secteur qui a compensé en imprimant davantage de pièces d’essai, en appliquant des coefficients de sécurité plus élevés et en acceptant des composants surdimensionnés. Ce flux de travail est acceptable pour le prototypage. Il n’est toutefois pas adapté aux applications de production où le poids des pièces, le coût des matériaux et la qualification des performances sont déterminants.
À mesure que la confiance dans la technologie FDM pour les applications structurelles diminue, les ingénieurs sont de moins en moins enclins à la prescrire pour les pièces de production — ce qui réduit encore davantage l’incitation à investir dans de meilleurs outils de simulation. Le cercle vicieux se poursuit.
Il en résulte une opportunité manquée. L’impression 3D FDM présente un potentiel évident pour l’outillage, les posages, les supports et les applications structurelles d’aide à la production, où un poids réduit, un coût moindre, des délais de fabrication plus courts et une souplesse de conception offrent des avantages significatifs par rapport à la fabrication conventionnelle. Sans outils de simulation auxquels les ingénieurs peuvent se fier, ces avantages ne se concrétisent pas.
Le problème est spécifique, tout comme la solution. Pour prédire avec précision le comportement mécanique d’une pièce imprimée en 3D par FDM, la simulation doit prendre en compte des éléments que l’analyse par éléments finis (FEA) traditionnelle ignore tout simplement : la direction dans laquelle chaque cordon a été déposé et son impact sur la rigidité et la résistance, le motif et la densité de remplissage sur l’ensemble de la pièce, les propriétés de matériaux validées spécifiques à l’imprimante et à la hauteur de tranche utilisée (et non les valeurs génériques des fiches techniques), et surtout, la rapidité d’exécution pour que la simulation devienne une étape pratique plutôt qu’une étape que l’on a tendance à sauter.
Ce dernier point est plus important qu’il n’y paraît. Les simulations FEA complexes peuvent prendre plusieurs heures, même sur du matériel à haute performance. S’il est plus rapide d’imprimer simplement une pièce d’essai et de la tester physiquement, c’est ce que feront les ingénieurs. Un outil de simulation incapable de fournir des résultats plus rapidement que l’alternative physique ne changera pas les pratiques d’ingénierie, quelle que soit sa précision.
Toutes les informations nécessaires à une simulation FDM physiquement exacte se trouvent en un seul endroit : les données de parcours d’outil générées par le logiciel de préparation d’impression. Le parcours d’outil indique exactement où chaque cordon a été déposé, dans quelle orientation et avec quel motif de remplissage. Il s’agit de la description la plus complète qui existe de la pièce imprimée en 3D telle qu’elle a été fabriquée. La question a toujours été de savoir si les outils de simulation l’utiliseraient.
NoviPath renverse les hypothèses qui ont conduit à l'échec des approches précédentes. Plutôt que de partir d'une géométrie CAO et d'essayer d'y intégrer les propriétés de matériaux résultant du procédé FDM, il part du parcours d'outil lui-même : la seule source qui contient à la fois la géométrie et les informations de procédé nécessaires pour attribuer des propriétés directionnelles précises au matériau en chaque point de la pièce.
Le moteur de simulation FDM de Novineer, intégré à GrabCAD Print Pro, analyse les données réelles des parcours d'outils de GrabCAD — notamment l'orientation de l'impression, la hauteur et la direction des couches, ainsi que les schémas de remplissage — en tenant compte des propriétés spécifiques au matériau, et construit un modèle physiquement fidèle de la pièce telle qu'elle sera imprimée en 3D. La simulation reproduit la pièce telle qu’elle a été fabriquée lors du cycle de production, et non une version fortement simplifiée de celle-ci.
Cette technologie repose sur trois composants principaux, chacun remédiant à une limitation spécifique des approches antérieures.
Associé à une méthodologie rigoureuse de caractérisation des matériaux couvrant 18 propriétés mécaniques distinctes par matériau, par hauteur de couche et par imprimante, cela donne un modèle qui reflète la façon dont la pièce a été réellement fabriquée, plutôt que sa version idéalisée.
Novineer a démontré que NoviPath est capable de simuler des pièces d’une taille équivalente à celle de la plaque d’impression de la F900 (406 mm x 470 mm) en moins de 10 minutes, en utilisant moins de 8 Go de RAM sur du matériel standard (dans ce cas précis, un processeur Intel® Core™ 7 240H (2,50 GHz) équipé de 16 Go de RAM et de 10 cœurs de processeur physiques). L’exactitude dimensionnelle de ces modèles par rapport aux expériences physiques se situe entre 5 et 18 %. Plus de détails seront fournis dans de prochains livres blancs techniques.
La vitesse, l’exactitude dimensionnelle et la validation font partie intégrante de l’architecture — ce ne sont pas des éléments ajoutés après coup. NoviPath est conçu pour fournir des résultats précis suffisamment rapidement pour faire de la simulation une étape pratique dans le cycle de conception. Un ingénieur peut ajuster l’orientation de l’impression, modifier les angles de trame ou ajouter des contours, lancer la simulation et observer l’impact structurel sans quitter GrabCAD Print Pro et sans avoir à reconstruire le modèle. Les itérations qui prenaient auparavant plusieurs jours ne prennent désormais que quelques heures. Les impressions d’essai physiques pour l’itération de la conception ne sont plus nécessaires, ce qui réduit la consommation de matériau, le temps de fabrication et le coût à chaque cycle de production.
La bibliothèque de matériaux validés disponible dès le lancement comprendra l’Antero 800NA, le matériau FDM Nylon 12CF et l’ULTEM 9085, avec une prise en charge initiale par les imprimantes F900, Fortus 450mc et F3300. Les données relatives aux matériaux sont issues d’essais rigoureux sur échantillons, calibrés en fonction d’imprimantes spécifiques et de hauteurs de découpage. Sur une colonne de ligne d’assemblage automobile, Novineer a démontré des réductions de poids pouvant atteindre 35 % tout en respectant les coefficients de sécurité requis, le temps de validation passant de plusieurs semaines à quelques heures.
Les applications où cela importe le plus sont précisément celles où l’impression 3D FDM a été freinée : outillage et posages porteurs, accessoires de fabrication structurels, supports dans les programmes aéronautiques, composants de dispositifs médicaux nécessitant une qualification des performances. Dans chaque cas, l’obstacle n’était pas la technologie d’impression. Il s’agissait de l’incapacité à démontrer, avec une certitude technique, qu’une pièce spécifique, fabriquée d’une manière spécifique, fonctionnerait sous une charge spécifique. Il s’agit d’un problème de modélisation et de simulation, qui peut désormais être résolu.
Il convient de mentionner ici une tendance à plus long terme. Le secteur de la FDM dans son ensemble, et Stratasys en particulier, a passé plus de deux décennies à démontrer sa capacité à produire des pièces FDM homogènes et fiables. Les matériaux sont bien caractérisés. Les contrôles de processus sont au point. Le dernier obstacle à une adoption plus large dans les applications de production structurelle n’a pas été le matériel, mais bien la rigueur technique et la confiance nécessaires pour justifier l’utilisation de la FDM lorsque les performances sont cruciales.
Combler ce fossé modifie ce que les ingénieurs sont prêts à concevoir. Les ingénieurs qui font confiance à leurs simulations FDM cessent de limiter leurs conceptions à ce qui pourrait tout aussi bien être usiné ou réalisé par moulage par injection. Ils commencent à concevoir des pièces dont les géométries ne peuvent être réalisées que par impression 3D, tirant ainsi pleinement parti des possibilités uniques offertes par la fabrication additive. Les imprimantes 3D ont déjà démontré leur capacité à produire des pièces fiables et complexes à l’échelle industrielle. Les possibilités de conception qui s’ouvrent lorsque la simulation élimine l’incertitude sont considérables.
C’est cette évolution que vise ce travail. Il ne s’agit pas d’un meilleur coefficient de sécurité. Ni d’un moyen plus rapide d’approuver une conception qui était déjà surdimensionnée. Il s’agit d’une approche de simulation qui parle le langage du FDM et donne aux ingénieurs la confiance nécessaire pour utiliser la fabrication additive à la hauteur de ses capacités.
