mÉthodologie de conception et d optimisation

MÉTHODOLOGIE DE CONCEPTION ET

D’OPTIMISATION MULTIFONCTIONNELLE

D’UN SYSTÈME MÉCANIQUE POUR LA

FABRICATION ADDITIVE

1 2 - 0 9 - 2 0 1 7

ANF 2017

Myriam ORQUERA

2/ 39 Concevoir Contraintes Libertés Conception Perspectives

pour la FA d’un mécanisme

PLAN

Les étapes clefs de la conception pour la FA

Les contraintes de la FA

Les libertés de la FA

Conception d’un système mécanique

Conclusion / perspectives

…/…



CONCEVOIR POUR LA F.A.

Définition

(Thompson et al. 2016)

“Le processus de fabrication additive

produit des objets physiques

à partir d’informations numériques,

et ce,

ligne par ligne, surface par surface, ou couche par

couche”.

…/…



Concevoir pour la F.A.

piston

Chemise

Carter

Vilebrequin

Cahier des charges

Design space

None-Design space

Optimisation topologique

Reconception

Vérification EF


…/…




piston

Chemise

Carter

Vilebrequin

Cahier des charges

Design space

None-Design space


Reconception

Vérification EF


…/…




piston

Chemise

Carter

Vilebrequin

Cahier des charges

Design space

None-Design space


Reconception

Vérification EF

Triangularisation Tranchage Impression Post traitement

Finitions


…/…




piston

Chemise

Carter

Vilebrequin

Cahier des charges

Design space

None-Design space


Reconception

Vérification EF


Finitions


…/…




piston

Chemise

Carter

Vilebrequin

Cahier des charges

Design space

None-Design space


Reconception

Vérification EF


Finitions


Cadvision.fr

…/…



Concevoir pour les procédés d’obtention classiques

Chaque procédé implique des règles de tracés


…/…



Concevoir pour la Fabrication Additive

L’avantage principal de ce procédé :

On peut déposer la matière où l’on souhaite

L’inconvénient principal de ce procédé:

De nouvelles contraintes sont apparues

=> D’où la nécessité de nouvelles règles de tracé et

méthodologies


…/…



Les contraintes principales de la FA

Volume maximal fabricable

Dimensions minimales

Enlèvement du support ou de la matière non fusionnée

L’orientation de la pièce influe

sur la rugosité

le temps de fabrication

la quantité de support…

…

CONTRAINTES DE LA F.A.

(Kruth et al. 2004) (Pandey et al. 2007)

…/…



Les libertés principales de la FA

Fabrication de pièces élancées (difficiles à obtenir par

usinage)

Fabrication des formes complexes, surfaces gauches…

Flexibilité (modification très rapide de la forme et de la

production par rapport au moulage, forgeage…)

Réalisation pièces très légères de forme lattice (type

treillis, mousse)

Fabrication de pièces imbriquées, d’assemblage, ainsi que

la superposition de fabrication

Utilisation de matériaux difficile à usiner tels que le

titane, l’inconel, la céramique

…

LIBERTÉS DE LA F.A.

…/…



Exemples

…/…

LIBERTÉS DE LA F.A.

(Panesar et al. 2014) (Cali et al. 2012)

(Calignano et al. 2014)

(Prévost et al. 2013) (Martínez et al. 2015)

(Tomlin 2011) (Vayre 2014) nanoscribe.de

poly-shape.com 3ders.org

nanoscribe.de



Les méthodologies globales

Comment concevoir une mécanisme en

exploitant toutes les libertés de la FA pour

améliorer le fonctionnement, tout en répondant

aux contraintes du procédé?

[Ponche et al., 2014] [Vayre et al., 2012]

[Kumke et al., 2016]

E.B.M. process C.L.A.D. process Derivation of VDI2221

framework

CONCEPTION D’UN MÉCANISME POUR LA F.A.

…/…



Etude de cas

Wobbler Engine – moteur à air

Wobbler Engine Multifonctional optimization methodology

[Orquéra et al 2017]


…/…



Wobbler Engine principle Wobbler Engine’s rigid bodies

Aluminium alloy

Steel

Brass

Etude de cas

Wobbler Engine


…/…



θ

To ξ p

oc

c

Basic function: to transform

compressed-air to mechanical power

Selective Laser Melting S.L.M.

technology (Cr-Co or Al)

Size / Mass

Inlet pressure: 2,5 bars

Kinematic transmittance

Mechanical analysis

…

INTRODUCTION STAGE

…/…



Mechanical power

Sub-assemblies functions

Functional surfaces

Design space / non design space Pneumatic flow

Connecting joint

Engine block

Oscillating cylinder

Piston

Crankshaft

Pivot joint Pivot joint

Cylinder joint Cylinder joint

Air Inlet Exhaust

Pressure Load

Torque

INTRODUCTION STAGE

…/…



o Which component for A.M.?

o Which component should be

bought?

o Which component should be

machined?

Crankshaft,

Guide shaft,

Bush bearings

are machined

[Klahn et al., 2014], [Burkhart, Aurich 2015], [Hällgreen et al., 2016],[Lindemann et al, 2015]

INTRODUCTION STAGE

…/…



o Architectural optimization

• Adapt joint’s center

• Downsizing

[Ren, Galjaard, 2015], [Cali et al., 2012]

DESIGN FOR A.M.

…/…



Hyperworks software, from Altair

o Topology optimization

[Tomlin, Meyer, 2011], [Tang, Zhao, 2014]

DESIGN FOR A.M.

…/…



o Remodelling in CAD

[Adam, Zimmer, 2014] ,[Leary et al., 2014],[Kranz et al., 2015],[Cheng et al., 2015], [Reiher, Koch, 2015]

DESIGN FOR A.M.

…/…



Design space’s inertia: Io

New boundaries conditions :

BCs(i)

Optimization

CAD’s Inertia : I(i)

Mechanical behavior: Mb(i)

( )

( 1)

Mb1

Mb

i

i

End

DESIGN FOR A.M.

…/…



« How to improve » questions

[Bin Maidin et al., 2012], [Schmerlzle et al. 2015], [Felber et al., 2016], [Leutenecker et al., 2016]

Mechanical power Pneumatic flow

Connecting joint

Engine block


Piston

Crankshaft



Air Inlet Exhaust

Pressure Load

Torque

DESIGN FOR A.M.

…/…



Hydrostatic

bearing

Double wall for

an adiabatic

expansion

How to improve the

thermodynamic work?

DESIGN FOR A.M.

…/…



Poor

behavior Structural behavior for each

rigid body

DESIGN FOR A.M.

…/…



Adapting part

o Volume adapting from

bulky design space + FE

analysis

o Product simulation

DESIGN FOR A.M.

…/…



o Build direction optimization…

o Process constraints :

E.g. powder removing for SLM process

[Delfs et al., 2016], [Asadollahi-Yazdi et al., 2016]

DESIGN FOR MANUFACTURING

…/…



RESULTS

Classical methodology brings improvement in

terms of:

Mass, volume, inertia, stiffness …

Engine block


Piston

Crankshaft



Process chain for the design and optimization

of AM components [Altair, 2009]

…/…



RESULTS

In addition, the multi-functional methodology

improves more features like:

Pressure drop

Sealing

Friction

Thermodynamic work

…

Engine block


Piston

Crankshaft

Pivot joint


Pivot joint

Air

Inlet Exhaust

Pressure Load

Torque

Pivot joint

…/…



Design using a part-by-part

optimization

Design using the multifunctional

optimization methodology

Exhaust

air

Air

Tank

Air

supply

Capillary

screw

Drain

hydrostatic

bearing

RESULTS

…/…



RESULTS

In addition, the multi-functional methodology

improves more features like:

Pressure drop

Sealing

Friction

Thermodynamic work

…

Mechanical power Pneumatic flow

Connecting joint

Engine block


Piston

Crankshaft



Air

Inlet Exhaust

Pressure Load

Torque

…/…



Design using a part-by-part

optimization

Design using the multifunctional

optimization methodology

RESULTS

…/…



CONCLUSION

Apparition de nouvelles contraintes à prendre en

compte et des nouvelles opportunités

Se libérer des méthodologies de conception pour les

procédés conventionels

Ec Eam1 Eam2

…/…



CONCLUSION

Perspectives

Tests

Méthodo inversée

Gain de masse :30,3%

…/…

Eam2

Ec

MERCI POUR VOTRE

ATTENTION

Avez-vous des questions?

Myriam ORQUERA SeaTech

Av de l’université

BP20132

83957 La Garde Cedex



Résultats Comparaison coût matière

…/…

PRÉSENTATION DE LA THÈSE AVANCÉES DES TRAVAUX

Coût matière densité

chrome cobalt 220 €/kg 8,5 g/cm3

Aluminium 1,59 €/kg 2,7 g/cm3

cuivre 5,43 €/kg 8,4 g/cm3

acier 1,5 €/kg 8,01 g/cm3

Conventional First optimzed Multifunctionnal

optimized

Ec EAM1 EAM2 Volume (cm3) Coût € Volume (cm3) Coût € Volume (cm3) Coût €

Engine mount 40,13 0,17 20,37 38,09 20,65 38,62

Crankshaft 10,91 0,50 9,41 17,59 9,41 17,59

Piston 3,24 0,04 2,26 4,23 2,22 4,15

Swivel liner 8,27 0,38 5,16 9,65 3,86 7,22

total 62,50 1,09 40,40 69,56 38,43 67,58

mÉthodologie de conception et d optimisation

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