Intégration des démarches d'optimisation topologique dans un processus de conception de pièces pour la fabrication additive plastique par technologie FDM.

Directeur(s) de thèse : Henri PARIS / Philippe Marin
Ecole doctorale : IMEP2
Date de début (souhaitée) : Septembre 2015
Financements envisagés – Contexte – Partenaires éventuels :

Description du sujet :
Contexte :
De plus en plus d'industriels introduisent des technologies de fabrication additive plastique dans leur production. Ces technologies gagnent en maturité, la variété de matériaux disponibles s'enrichit et les caractéristiques des pièces obtenues s'améliorent régulièrement. Tous les secteurs industriels sont concernés, du médical aux engins de chantier, en passant par la joaillerie, le sport et nos partenaires de l'industrie aéronautique. La part de la Fabrication Directe par rapport au prototypage parmi les usages de la fabrication additive est passée de 4% en 2003 à plus de 28% en 2012 [1] et cette évolution continue de s'accélérer.
Les fabricants de machines additives, les fabricants de matériaux, comme les sociétés de services (études et fabrication de pièces) et les clients industriels finaux (concepteurs et fabricants de produits) tentent d'acquérir la maîtrise technique de ces nouveaux moyens de production, mais aussi la compréhension de leurs impacts sur les processus de développement : l'introduction de l'optimisation topologique, la place des prototypes physiques et des simulations numériques, les règles de conception, les spécificités et contraintes liées aux procédés de fabrication et aux opérations de finition, les compétences métiers qu'il est nécessaire et/ou possible d'introduire dans ce processus, etc. Les travaux en cours au laboratoire G-SCOP permettent déjà d’apporter divers éléments de réponses à ces questions dans le contexte de la fabrication additive métallique (EBM), en particulier concernant les potentialités et les règles d’usage de l’optimisation topologique [2].

Nous nous situons donc dans un projet de recherche à moyen terme qui est de développer des outils et des méthodes de conception pour la fabrication additive plastique. Ce projet s’appuiera sur la technologie FDM (Fused Deposition Modeling), en développement rapide dans le monde industriel et pour laquelle nous sentons un fort intérêt potentiel de la part de nos partenaires industriels, avec pour objectif d'investiguer les spécificités de cette technologie : quels processus de conception, quelles règles de conception, quels paramètres de procédé, quelles performances obtenues, quelles en sont les limites actuelles et quelles en

sont les applications potentielles ? Il apparaît que les travaux de recherche focalisés sur cette technologie sont encore peu nombreux, et se concentrent soit sur l’étude du phénomène d’extrusion [3], soit sur les stratégies de construction de pièces [4], mais très peu sur la phase de conception des pièces.

Objectifs de la thèse
Parmi les questions soulevées ci-dessus, nous nous focaliserons dans cette thèse sur les techniques d'optimisation topologique qui, de plus en plus mobilisées pour la conception de pièces destinées à la fabrication additive métallique sont encore peu utilisées pour des pièces de fabrication additive plastique [5]. Les spécificités de la FDM peuvent faciliter la construction de pièces de géométrie issue d’optimisation topologique, comme des pièces munies d’un faible taux de remplissage volumique (corps creux sans problématique de dépoudrage), intégrant des structures de type nid d’abeille ou treillis, munies de parois relativement minces, ou architecturées sous forme de poutres de sections variables. Néanmoins d’autres difficultés apparaissent pour l’usage de l’optimisation topologique, telles que le caractère anisotrope des pièces obtenues, lié à l’empilement des couches et aux orientations de fibrages, ainsi que certaines limites dans les géométries. Les paramètres d’entrée du processus d’optimisation (espace de conception, contraintes géométriques, caractéristiques du matériau…) ainsi que les performances que l’on pourra espérer, et finalement les formes fabricables sont donc à définir de manière spécifique.
L’objectif de la thèse est donc de caractériser les potentiels et les limites de l’usage de l’optimisation topologique dans un processus de conception de pièces destinées à être fabriquées par procédé FDM.
La démarche de recherche proposée sera fondée sur un état de l’art approfondi relatif à l’optimisation topologique d’une part, et à la technologie FDM d’autre part. Une série d’études de cas de (re)conception, fabrication et caractérisation de pièces réelles permettra d’asseoir des hypothèses et de dégager des règles de conception ou des « bonnes pratiques » pour la mise en œuvre d’optimisation topologique pour la fabrication additive FDM. Enfin, un travail de synthèse devra aboutir à une proposition de démarche globale structurée d’intégration de l’optimisation topologique dans un processus de conception de pièce pour la fabrication additive plastique, proposition qui constituera le livrable final de la thèse.

Références :
[1] Wohlers T. et al., « Wohlers report 2013 : Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry Annual Worldwide Progress Report », Wohlers Associates, Inc., Fort Collins, CO
[2] Doutre P-T. et al., « Optimisation topologique : outil clé pour la conception des pièces produites par fabrication additive », Conférence AIP-Priméca 2015, La Plagne, Avril 2015
[3] B. N. Turner, R. Strong, and S. A. Gold, « A review of melt extrusion additive manufacturing processes: I. Process design and modeling », Rapid Prototyp. J., vol. 20, no. 3, pp. 192–204, Apr. 2014.
[4] A. K. Sood, R. K. Ohdar, and S. S. Mahapatra, « Experimental investigation and empirical modelling of FDM process for compressive strength improvement », J. Adv. Res., vol. 3, no. 1, pp. 81–90, Jan. 2012.
[5] R. Rezaie, M. Badrossamay, a. Ghaie, and H. Moosavi, « Topology Optimization for Fused Deposition Modeling Process », Procedia CIRP, vol. 6, pp. 521–526, 2013.

Contact(s) : henri.paris@ujf-grenoble.fr ; philippe.marin@grenoble-inp.fr