Conception de pièces légères fabriquées par apport de fil et arc électrique – BeShape

L’approche par banque de motifs suppose une méthodologie d’élaboration de cette banque de motifs. Elle doit permette de respecter les contraintes de fabricabilité par le procédé WAAM, ce qui soulève plusieurs problématiques. 1 : les connaissances actuelles ne permettant pas de valider cette fabricabilité de manière numérique, il est nécessaire de définir des méthodes et de les valider par des essais à mettre en œuvre pour chaque motif. 2 : les trajectoires associées à ces motifs doivent également être validées, par simulation mais également en les mettant en œuvre sur les moyens WAAM envisagés. 3 : les motifs doivent être paramétrables pour pouvoir les adapter aux densités de matière envisagées sur la pièce conçue.

Concernant les formes à obtenir sur la pièce, une approche par optimisation topologique est envisagée. Cette approche est bien maitrisée au laboratoire G-SCOP. Le verrou se situe au niveau de l’association des motifs et de leurs paramètres aux densités de matière générées par l’optimisation topologique. Une première approche de ce type a déjà été initiée dans le cadre de la technologie EBM mais elle devra profondément évoluer pour la technologie WAAM.

Un troisième verrou concerne la génération des trajectoires sur la pièce complète, à partir des trajectoires élémentaires de chaque motif, sous contraintes du procédé WAAM. Cette approche devra combiner simulations et validations expérimentales.

Le dernier verrou consistera en la construction d’une maquette virtuelle réaliste, représentative de la pièce qui sera réellement fabriquée. Cela suppose l’élaboration expérimentale d’un modèle de cordon déposé fonction des paramètres de mise en œuvre envisagés.

La levée de ces verrous doit nous permettre de valider la démarche de conception de pièces légères proposée, basée sur l’assemblage de motifs fabricables pour lesquels les paramètres du procédé WAAM et les trajectoires associées ont bien été identifiés. Nous pourrons ainsi vérifier les hypothèses scientifiques suivantes. 1: il existe une méthode permettant de combiner intelligemment les motifs fabricables pour obtenir une pièce fabricable. 2 : il est possible, à partir de résultats d’optimisation topologique, de concevoir une pièce fabricable répondant aux attentes du concepteur, par une sélection et une combinaison intelligente de motifs.

Les motifs retenus pour le projet sont deux motifs TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) : les motifs de type primitive et gyroïde. Un matériau cellulaire à gradation fonctionnelle basé sur ces motifs a été développé. L’objectif est de remplacer un matériau homogène par un matériau à densité variable afin d’adapter les caractéristiques du matériau aux exigences fonctionnelles du produit, tout en garantissant la fabricabilité par un procédé WAAM. Le matériau proposé est constitué d’un assemblage de motifs TPMS et la variation de densité est assurée par la variation de la longueur et/ou de l’épaisseur des motifs. Les évaluations de la densité relative en fonction des paramètres géométriques des structures ainsi que des propriétés mécaniques du matériau en fonction de la densité relative de la structure ont été réalisées. Une méthodologie de conception de produit basée sur la variation linéaire de la densité du matériau développée a été proposée. Un plug-in permettant d’appliquer cette méthode avec le logiciel de CAO Rhinoceros a été développé. La fabricabilité des motifs par WAAM est rendue possible par la génération de trajectoires à hauteur de couche constante. La méthode proposée permet de générer ces trajectoires à partir d’un motif paramétré mathématiquement ou à partir d’un fichier STL. Un motif primitif a été réalisé en WAAM multiaxes.

Les travaux menés dans le cadre du projet ont permis la création de structures TPMS avec une variation de leur densité relative dans le cadre de la conception de pièces légères par assemblages de motifs.

Les partenaires du projet ont pu développer une méthodologie pour générer les trajectoires de dépôt. Cette méthodologie a été appliquée pour la fabrication d'une cellule unitaire, un motif de type primitif, avec un cordon d’épaisseur constante, en WAAM multiaxes. La fabrication d’une pièce complète, constituée d’un ensemble de motifs de type primitif, est une perspective du projet.

Les structures à densité variable sont au cœur du projet : la méthodologie de conception de produit qui a été proposée est basée sur la variation linéaire de la densité du matériau. Dans le cadre du projet nous avons identifié que des motifs d’épaisseurs variables pourraient être réalisés en contrôlant les vitesses d’avancement de la torche du robot et d’alimentation du fil au cours de la fabrication. Mais, pour l’instant, la fabrication de structures à densité variable reste une perspective.

L’un des outils développés dans le cadre du projet (le plugin du logiciel de CAO Rhinoceros) peut être utilisés pour extraire les valeurs locales de densité, d'épaisseur et de longueur à partir d'un point arbitraire d'une trajectoire. Cependant, le développement d’un outil permettant de relier les conditions de fabrication réelles aux paramètres de conception des TPMS est également une perspective.

Campocasso, S.; Chalvin, M.; Bourgon, U.; Hugel, V.; Museau, M. Manufacturing of a Schwarz-P pattern by multi-axis WAAM. CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2023, 72 (1), 377-380.

Ramírez, E.; Béraud, N.; Montemurro, M.; Pourroy, F.; Villeneuve, F. Effective elastic and strength properties of triply periodic minimal surfaces lattice structures by numerical homogenization. Mech. Adv. Mater. Struct. 2023, 1-13.

Andurand, L.; Hugel, V.; Campocasso, S.; Museau, M. Support-Free-Material Path Generation for DED Processes from Facetized Data. In Proceedings of the 16th CIRP International Conference on Modeling of Machining Operations. Jul 2022; Online, Italy, 632-637.

Ramírez, E.; Béraud, N.; Pourroy, F.; Villeneuve, F.; Museau, M. Conception des surfaces minimales triplement périodiques à densité variable pour la fabrication additive. In Proceedings of the 18th Colloque national S.mart, Apr 2023; Carry-le-Rouet, France.