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Mirel Scherer

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Des outils d'analyse et de simulation de plus en plus puissants aident les bureaux d'études à réduire la masse ou le nombre de composants utilisés.

La course à l'amincissement des produits, banale dans l'aéronautique, touche désormais tous les domaines industriels. En effet, le renchérissement sans précédent des matières premières, métalliques mais aussi pétrolières, rend obligatoires les économies pour contenir les coûts. Les menaces de pollution obligent les constructeurs d'automobiles à alléger leurs modèles pour consommer moins. Et le développement durable devient un leitmotiv.

En première ligne dans cette bataille de l'allègement : les bureaux d'études et les concepteurs qui cherchent des solutions idoines. Ils n'ont heureusement que l'embarras du choix car les éditeurs de CAO (conception assistée par ordinateur) s'en préoccupent activement. « La logique PLM [gestion du cycle de vie des produits] que nous proposons permet un suivi permanent de l'allègement sur toute la démarche de conception », confirme Jean-Marc Deshays, directeur Europe des ventes de Catia, le logiciel phare de Dassault Systèmes. Un effort qui se réalise, selon le spécialiste, sur trois axes majeurs : l'utilisation de nouveaux matériaux plus légers ; la diminution de la quantité de matière utilisée ; la capacité de remplacer une fonction mécanique par un dispositif mécatronique.

Avec une diminution de la quantité de matière

Côté matériaux, les composites seront, selon l'expert de Dassault Systèmes, de plus en plus utilisés, surtout dans l'aéronautique, mais aussi dans d'autres domaines. Intégrer la fibre de carbone dans des objets design et de luxe, c'est ainsi la niche qu'occupe la société Design Composites Solutions (DCS). Coffrets pour montres et spiritueux, luminaires, gamme de mobilier... à l'esthétique du produit, le carbone ajoute un rapport poids/ résistance mécanique exceptionnel.

Autre source d'allègement : la diminution de la quantité de matière. Un objectif général pour tous les domaines industriels, de l'AEC (architecture, ingénierie, construction) à l'emballage en passant par la construction de machines ou de voitures. « Alléger un bâtiment permet de soulager les fondations et donc de consommer moins de béton », précise l'expert de Dassault Systèmes. Une approche qu'illustre aussi à merveille la bouteille d'eau minérale dont la complexité de la conception a de quoi étonner même un habitué du domaine. Style, rigidité, capacité de compactage mais résistance lors de l'emmagasinage, impératifs sanitaires... tout doit être pris en compte avec, en plus, une consommation minimale de matière plastique. Comment résoudre ce casse-tête ? Grâce, par exemple, aux modules de Catia V5 comme le "product engineering optimization" qui met en oeuvre des techniques de conception itératives. Objectif : optimiser les paramètres d'un produit fournis par les calculs en fonction de l'objectif "consommation de matière" et de la rigidité recherchée. Sans oublier les données de fabrication, tel un démoulage facile de la bouteille ou le calcul de l'outillage.

Une approche valable aussi pour l'allègement de moteurs d'automobiles, avec la vérification des épaisseurs minimales de pièces. « Un outil comme le Knowledge Expert de Catia, qui favorise la réutilisation et l'intégration du savoir-faire du bureau d'études ainsi que l'utilisation de composants intelligents, permet de jongler avec les alliages et de choisir celui qui répond le mieux au cahier des charges », constate Jean-Marc Deshays.

Avec des outils de calcul dans les logiciels de CAO

Gisement quasi infini de réduction de poids, la mise en place de la démarche mécatronique est également de plus en plus prisée dans les bureaux d'études. La simulation du comportement d'un sous-système, comme celui du freinage par exemple dans l'automobile, permet d'alléger ses composants. Rachetée il y a plus d'un an par Dassault Systèmes, la société suédoise Dynasim propose la solution Dymola (Dynamic Modeling Laboratory) de modélisation et de simulation de systèmes complexes. Basée sur le langage orienté objet Modelica, elle assure la modélisation de systèmes complexes comme ceux comportant des composantes mécaniques, électriques, hydrauliques, thermiques, etc. Une approche qui intéresse des concepteurs venus d'horizons aussi différents que les ascensoristes, l'électroménager, l'automobile... tous confrontés à des solutions mécatroniques.

Chez PTC, plusieurs solutions aident les concepteurs à alléger leurs produits. « L'intégration de l'outil de calcul de Rasna dans Pro/Engineer a ouvert la voie vers l'optimisation du dimensionnement et l'analyse de son impact sur le comportement d'un modèle », explique Denis Mercat, directeur technique avant ventes de PTC. Le "Modeleur comportemental" qu'offre Pro/Engineer permet de poursuivre un objectif de conception et de dépasser le stade du constat a posteriori. On peut ainsi optimiser une même pièce grâce à plusieurs critères simultanés. L'approche système (mécatronique) est prise en compte par les outils PLM de l'éditeur. « Un fabricant de batteries ne modélise plus un produit mais un système, ce qui lui permet de réduire la consommation de matières comme le nickel dont le prix a explosé, considère l'expert. Il peut jouer sur les temps de charge et mieux utiliser les compartiments de la batterie pour réduire la masse embarquée. » Pour le spécialiste de PTC, « on est passé ces dernières années d'une logique d'optimisation de produits à celle d'optimisation financière ». Autrement dit, on ne recherche plus la performance d'un produit mais l'efficience industrielle. Tout un programme...

La démocratisation du calcul grâce à l'intégration d'outils puissants dans les logiciels de CAO est également un objectif permanent pour les éditeurs de solutions sur PC comme Solidworks ou Autodesk.

La solution éponyme du premier intègre le logiciel d'analyse CosmosWorks avec ses différents modules. Comme Designer qui valide les conceptions, et Professional, qui permet d'optimiser automatiquement les modèles selon les critères de performance définis par le cahier des charges du produit à concevoir. « Ce dernier dispose de capacités d'analyse étendues, comme la simulation de mouvement, thermique, de fréquence, de flambage, de fatigue... ce qui aide les bureaux d'études à répondre à des critères de qualité, de coût et de performance de plus en plus ardus », affirme Delphine Genouvrier, Cosmos european manager chez Solidworks.

Masse, coût, temps de conception... ces outils maîtrisent des indicateurs essentiels pour les concepteurs. « Ils assistent les concepteurs à toutes les étapes de la conception et les aident à comparer les différentes configurations pour choisir la moins vorace en matière, mais aussi la plus résistante et la moins coûteuse. » Proposé dans SolidWorks 2008, le module CosmosXpress est un assistant d'analyse de contraintes qui valide l'intégrité de conception et la réduction du coût des matériaux.

Le même souci d'assister le concepteur pendant la totalité du cycle de conception anime Autodesk avec des fonctionnalités d'analyse intégrées dans son logiciel 3D Inventor. Promoteur de l'approche de prototypage numérique qui aide les ingénieurs à visualiser, simuler et analyser les conceptions, Autodesk a acheté, en août dernier, l'éditeur américain PlassoTech, un spécialiste de l'analyse et de la simulation dans la mécanique. « Cette acquisition s'inscrit dans une stratégie destinée à améliorer les capacités de simulation et d'optimisation d'Inventor », explique Jérôme Longuet, responsable marketing chez Autodesk France. Spécialiste du calcul, Adrien Martin, ingénieur chez Autodesk France, renchérit : « L'utilisateur peut, grâce à l'intégration de cet outil dans Inventor, étendre les analyses à des assemblages complets (et non plus à des pièces isolées) et effectuer des analyses dans des conditions structurelles et thermiques réelles. » Un moyen de concevoir non pas la pièce la plus légère, mais celle au juste poids utilisée, par exemple, dans la conception de l'ULM Tanarg réalisée par Air Création.

Avec des logiciels de simulation

Les aficionados du calcul disposent enfin d'outils plus puissants encore, des logiciels de calcul par éléments finis comme ceux de Comsol, par exemple. « Notre solution compte des outils d'optimisation généraux (Optimization Lab avec Comsol Script) », explique Jean-Marc Petit, responsable des applications chez Comsol. Ainsi l'étude de la fatigue d'une pièce mécanique réalisée sous la contrainte de la minimisation d'une épaisseur, correspond à une recherche d'allègement de matière. La société Le Bélier a utilisé cette approche de simulation pour mieux comprendre le processus de fabrication des freins en alliage d'aluminium et réduire le taux de microporosité ainsi que la fragilité des pièces. Objectif : dimensionner au plus juste en conception.

La dernière version MPA 8.1 du logiciel Plastics Advisers de Moldflow, spécialiste de l'analyse pour les plastiques injectés, permet également aux concepteurs de pièces et de moules de réaliser une évaluation rapide de la faisabilité de leurs pièces. Et leur permet ainsi d'obtenir la meilleure qualité au coût le plus bas et dans les plus brefs délais...

POUR TRAQUER LES GRAMMES SUPERFLUS...

Au fur et à mesure que le souci d'allègement se généralise dans l'industrie, les éditeurs de logiciels de conception adaptent leur panoplie de solutions. Les concepteurs disposent de modules de calcul de plus en plus puissants intégrés dans les outils de CAO (conception assistée par ordinateur). De Dassault Systèmes à UGS ou PTC en passant par Autodesk ou Solidworks, tous ont adopté cette approche qui démocratise le calcul. L'utilisateur peut ainsi pendant tout le cycle de conception, faire appel à ces outils pour vérifier si son modèle respecte les impératifs de poids. Et l'alléger au plus juste. Pour ceux qui veulent aller plus loin, l'offre d'outils de calcul par éléments finis, superpuissants, est plus qu'abondante : Ansys, Comsol, Moldflow, Mathcad, etc. Des outils compatibles par ailleurs, avec les principaux logiciels de CAO.

« POUR MAÎTRISER LE POIDS, IL FAUT ASSOCIER JUDICIEUSEMENT DIFFÉRENTS MATÉRIAUX. »

Industrie et Technologies : Comment évolue l'allègement dans l'industrie automobile ? Martial Soula : C'est un paradoxe qu'il faut affronter sans cesse, pour ne pas dire la quadrature du cercle à résoudre. D'une part, les automobiles sont devenues de plus en plus lourdes depuis une dizaine d'années. Augmenter les performances mécaniques, de sécurité, de stabilité, etc., passe forcement par la multiplication des équipements. D'autre part, il faut réduire la pollution et donc la consommation ainsi que les coûts. I & T : Quelles sont les solutions ? M. S. : On utilise depuis quelques années des matériaux plus légers, comme l'aluminium ou le magnésium. Ce qui pose des problèmes de fabrication et, évidemment, de coût. Les aciéristes ripostent avec les aciers à haute tenue élastique, plus économiques et plus faciles à travailler. C'est d'ailleurs grâce à ces solutions que l'on a pu gagner jusqu'à 20 % sur le poids du train arrière par exemple, ce qui peut représenter une trentaine de kilos. Et les recherches continuent : les aciéristes se rapprochent des producteurs d'aluminium pour étudier de nouveaux alliages ultralégers. Les matériaux composites sont également utilisés pour les pièces d'aspect. Mais ils coûtent cher et sont donc réservés, en général, aux voitures haut de gamme. Les constructeurs privilégient cependant les approches mixtes : des pièces plastiques thermoformées pour les pièces d'habillage, du magnésium injecté pour fabriquer l'ensemble pédalier complet (qui pose par ailleurs le problème du traitement contre les projections) ou le volant voir des structures de sièges, de l'aluminium pour le capot (Laguna III), de l'acier très résistant pour d'autres éléments de la structure...

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