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ANSA 3D

Le projet ANSA 3D a été soutenu par BPi France.

Dans le cadre du développement de formes innovantes, le projet ANSA3D visait à travailler sur les abaques numériques de structures architecturées pour la fabrication additive.

La Fabrication Additive permet de remplacer la  concentration de matière par des nids d'abeilles ou des treillis (lattices) : ce sont des matériaux architecturés. Il s'agit d'approches copiant la nature (matériau ou densité de matériau variant entre l'intérieur et l'extérieur) intégrées dans une démarche globale appelée biomimétisme. Il s’agit de s’inspirer de la nature pour créer des produits économes en énergie et adaptés à leur environnement (forme adaptée à la fonction). Ces structures sont souvent périodiques mais un certain nombre de propositions se font jour proposant des structures non périodiques. Un des exemples les plus couramment utilisé pour illustrer le biomimétisme et les lattices est la modélisation des structures de l’os, notamment du fémur. Les comparaisons entre des structures périodiques et des structures non périodiques montrent d’ailleurs un avantage certain aux structures non périodiques (qui atteignent parfois un rapport raideur/masse meilleur qu'en optimisation topologique). Cela s'explique par le fait que les structures non périodiques tiennent compte des contraintes internes dans la pièce, alors que les structures périodiques se "contentent" de définir une répartition de matériau uniforme. Cependant, il est très difficile de choisir la structure périodique ou non périodique la plus adaptée à un contexte donné.

Aucun outil et aucune méthode ne permet aujourd’hui de faire ce choix qui a des conséquences non négligeables, notamment :

  • respecter les conditions d’utilisation du produit (charges, forces …)

  • ne pas conduire à des difficultés de fabrication (supports …)

L’objectif du projet ANSA3D est de mener une expérimentation et une preuve de concept pour démontrer qu’il est envisageable de développer un outil pour les entreprises, leur permettant, à terme, de choisir la meilleure solution pour optimiser en masse leurs conceptions en s’assurant que le produit final répond bien à toutes les contraintes (y compris mécaniques) du cahier des charges.

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Les travaux du projet ANSA3D se décomposent en 3 phases :

  • Une recherche de modélisation intelligente (paramétrée) de quelques structures principales : l’objectif est de définir des structures en créant des familles paramétrées (nombre d’éléments, dimensions …), de telle sorte qu’on puisse d’une part créer des éprouvettes numériques qui sont nécessaire pour la campagne de modélisation et d’essais et, d’autre part, de pouvoir les intégrer dans quelques conceptions tests dans le cadre de cette étude (et dans tout type de conception dans des projets ultérieurs).

  • Une campagne de modélisation et de simulation de cas significatifs : il s’agit de réaliser une campagne de tests avec des éprouvettes numériques pour modéliser les caractéristiques intéressantes des structures étudiées. Comme pour des éprouvettes physiques, les éprouvettes numériques seront définies à partir de quelques formes de base (parallélépipèdes, sphères …) en s’appuyant sur la modélisation intelligente définie ci-dessus. L’intérêt d’éprouvettes numériques par rapport à des éprouvettes physiques est important : possibilité de définir à faible coût différents types d’éprouvettes (paramétrage), possibilité de lancer des campagnes de tests virtuels peu coûteux (par rapport à des essais physiques), rapidité de la mise en œuvre … 

  • Une phase de synthèse pour déduire de la campagne de modélisation et simulation les éléments (abaques et chiffrages) nécessaires à l’intégration des structures aux conceptions de produits. A partir des résultats sur les éprouvettes numériques (voir Figure 23), on insérera des structures dans quelques conceptions (CAO) dont dispose le centre de R&D iNumLab. Ces produits pourront être simulés dans leur globalité pour vérifier la pertinence des résultats obtenus lors de la campagne d’essais.

Pour résumer, nous pouvons retenir les points suivants des travaux effectués lors du Projet ANSA 3D :

  • des essais de modélisation paramétrée ont été effectués avec Catia V5©. Ils n'ont pas été concluants

  • une modélisation des éprouvettes a été faite grâce à Rhino3D© pour pouvoir effectuer des essais de modélisation lattice 3D sous Rhino3D©. Ces essais ont été concluants

  • une modélisation mathématique et géométrique des surfaces minimale a été mise en place, ainsi qu'une modélisation sous Python© des lattices en barre

  • pour terminer, des essais d'automatisation ont été effectués sous ModeFrontier©. 

75 simulations ont été lancées de manière automatique avec le même maillage et une épaisseur différente variant de 1 à 3mm. Les calculs ont été effectués avec le solveur optistruct©. Un script Python© a permis de modifier la propriété d’épaisseur dans le fichier FEM.

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