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Optimiser le produit avant qu'il n'existe

Jean-François Prevéraud

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- Le calcul est devenu un outil incontournable pour réduire les cycles de développement. Mais les méthodologies de travail nécessaires pour le démocratiser restent encore à inventer.

Comment réduire ses cycles et ses coûts de développement, tout en conservant ses capacités d'innovation pour proposer des produits toujours plus performants ? La pression sur les délais est telle qu'il devient impossible de continuer à travailler suivant le schéma itératif classique : conception - prototype - essais - modifications. La phase prototype et essais, à la fois longue et coûteuse, devient incompatible avec le rythme imposé par le marché. Il n'y a donc guère d'autre solution que de s'orienter vers de nouvelles méthodes de développement de produits.

Celles-ci passent par l'adoption d'une filière numérique, mêlant intimement CAO, calcul et simulation. C'est cette approche globale du développement qui permet, dès la phase amont de conception, de valider par le calcul les modèles numériques issus des logiciels de CAO et d'optimiser un produit qui n'existe que virtuellement.

Aujourd'hui on peut, à l'aide de logiciels adéquats, affiner la conception et le dimensionnement des structures pour qu'elles résistent au mieux aux contraintes qui leur sont appliquées. Il devient aussi possible d'évaluer rapidement l'impact des modifications ou des variantes et de tester différentes compositions de matériaux, voire d'innover en introduisant pour certaines pièces, de nouveaux matériaux comme les plastiques ou les composites. Enfin, les outils de simulation permettent aussi de contrôler le respect des normes ou de valider des codes métiers propres aux différents secteurs industriels.

Ce n'est pas tout. Au-delà de la conception, il devient également possible de vérifier qu'on obtient bien les pièces envisagées en simulant les principales étapes de leur fabrication. La plupart des outils de FAO simulent aujourd'hui l'enlèvement de copeaux lors de l'usinage ; on est de même capable de simuler des processus de production tels l'injection des matières plastiques, la fonderie, la forge, l'emboutissage, le soudage, voire les traitements thermiques et de surfaces. Enfin, toutes les opérations d'assemblage sur les chaînes de production, même les plus manuelles, sont également aptes à la simulation dans le contexte de l'usine numérique (voir page 70).

Partir d'hypothèses simplificatrices

« Attention toutefois à ne pas se laisser éblouir par l'optimisme des éditeurs. Tout n'est pas aussi facile qu'on le dit. Si pratiquement tout devient simulable, ce n'est pas avec le même niveau de performance. Il reste encore beaucoup de travail aux chercheurs », prévient Jean-Marc Crépel, président de la commission simulation de Micado et en charge de ces problèmes chez Renault.

En effet, face à l'infinie complexité de la réalité, les spécialistes ont été obligés, pour commencer, de faire de nombreuses hypothèses simplificatrices. Il a d'abord fallu créer des modèles fonctionnels, pouvant s'accommoder des piètres performances des matériels informatiques existant. Après quoi, au fur et à mesure de la progression des connaissances des experts, les modèles ont pu être enrichis pour coller plus finement à la réalité. Une démarche facilitée par la croissance continue de la puissance des matériels informatiques.

« Tous les phénomènes physiques ne sont pas encore parfaitement maîtrisés par le calcul, notamment dans leur comportement très fin. Ainsi, en mécanique, on ne dispose pas encore de modèles de fissuration, de rupture ou d'endurance suffisamment fiables. De même, des domaines plus jeunes en matière de simulation, comme l'optique, manquent encore cruellement de modèles. C'est pourquoi les travaux de recherches universitaires, en liaison avec les industriels et les éditeurs, restent incontournables. Ce sont eux qui permettent de progresser et de développer des modèles performants », estime Jean-Marc Crépel.

Automatiser les procédures

À cela s'ajoute le fait que la réalité n'est pas mono- mais multiphysique. Il faut donc coupler les phénomènes ainsi que les modèles de simulation pour l'approcher au plus près. « Ce n'est pas trivial, explique Alain de Rouvray, PDG d'ESI Group. Le multiphysique se heurte au couplage d'au moins deux solveurs différents. Et ce couplage ne doit pas demeurer figé, mais au contraire évoluer de manière permanente. »

L'exemple typique est le déploiement des airbags. On part d'un volume très petit constitué de tissu fortement plié dans lequel on déclenche une réaction pyrotechnique fortement expansive. Il s'ensuit de grands déplacements à haute vitesse aboutissant au gonflement d'une voile en régime établi, puis à la fuite des gaz via des orifices calibrés. On couple donc de la simulation thermochimique avec de la simulation dynamique et de la mécanique des fluides. « La mise au point de telles simulations véritablement multiphysiques a demandé environ dix ans d'efforts avec plusieurs changements de technologies informatiques », souligne Alain de Rouvray.

Le calcul n'a d'intérêt que pour apporter des réponses pratiques aux concepteurs. Il faut donc qu'il soit fortement intégré dans le processus de conception. Cela suppose un réel effort sur les méthodologies de travail des utilisateurs, ainsi que de la part des éditeurs pour faire redescendre le savoir-faire des spécialistes sur le poste de travail du concepteur. Mais attention toutefois à ne pas banaliser imprudemment des outils toujours délicats à manier. En effet, la moindre erreur de description du cas à étudier peut conduire à la catastrophe. Il n'est donc pas utopique de songer à de véritables "feuilles de styles'' créées par les spécialistes du calcul qui seraient mises à disposition du concepteur pour étudier les cas les plus courants. On peut même envisager d'automatiser ces procédures au maximum et de faire de l'optimisation automatique. Reste à bien cerner les limites d'utilisation et à confier les cas extrêmes aux spécialistes.

C'est ce que fait déjà Valeo Moteur et Actionneur pour la conception des hélices de ses motoventilateurs. « Il ne s'agit pas de remplacer les spécialistes de la mécanique des fluides par un logiciel automatisé. La simulation comporte beaucoup d'hypothèses simplificatrices. Le recours à un spécialiste reste impératif », prévient Stéphane Moreau, responsable du développement produit.

« C'est pour répondre à ce genre de préoccupations que nous avons développé Flowizad », annonce Gérard de Neuville, responsable Europe Sud de Fluent. Cet outil d'aide à la conception traite automatiquement les problèmes de mécanique des fluides en écoulements laminaires ou turbulents, avec ou sans transfert thermique. Mais il connaît surtout ses limites d'utilisation et avertit l'utilisateur lorsqu'elles sont atteintes. Parallèlement, il sollicite, via le réseau Internet, l'aide d'un expert interne ou externe à l'entreprise.

De véritables usines à calcul

Certains autres domaines sont plus avancés. « La plasturgie est emblématique de la démarche de conception produit/process, puisque plus de 80 % des bureaux d'études spécialisés intègrent la simulation pour tenir compte des contraintes du processus d'injection dans leur démarche », explique Catherine Baghdiguian, responsable marketing de Moldflow. Il est ainsi possible de valider, dès la conception, la "moulabilité'' d'une pièce, de prévoir les défauts d'aspect et de maîtriser les retraits en jouant sur la géométrie des moules et sur les paramètres d'injection. « Une telle approche est largement payante puisqu'elle limite les risques et évite les retouches de moules, ce qui explique l'engouement de la profession pour la simulation. »

L'étendue des applications de la simulation dans un domaine physique, tel que l'électromagnétisme, peut aussi être très vaste. « Nos clients vont de l'horlogerie pour le dimensionnement de moteurs de montres à quartz, à la Marine nationale pour l'étude de la signature électromagnétique du porte-avions Charles De Gaulle, en passant par de nombreux secteurs pour lesquels il faut évaluer le comportement de moteurs, de transformateurs, de dispositifs de chauffage ou de capteurs », précise Sébastien Cadeau-Belliard de Cedrat.

La limite ne se situe donc plus au niveau des capacités de la simulation, mais plutôt dans son exploitation efficace. « Il faut passer d'un travail d'artiste à un véritable processus industriel, bien cadré avec des méthodologies robustes et endurantes. Pour cela, Il faut mettre en place de véritables usines à calcul disposant de méthodes de développement de modèles et de solveurs, de conception d'applications, de mise en données, de production de calcul ainsi que d'exploitation, de gestion et de traçabilité des résultats, plaide Jean-Marc Crépel. C'est le prix à payer si l'on veut réellement démocratiser le calcul sans gonfler le nombre des spécialistes qui se situe actuellement aux environ de 5 % des personnels d'ingénierie. »

Là aussi la productivité doit augmenter...

LES DÉFIS

- Démocratiser des outils complexes, sans les banaliser et prendre des risques - Mettre au point de véritables méthodes de conception assistée par le calcul - Gérer les données calcul - Améliorer la formation des techniciens

VALEO PULVÉRISE SES DÉLAIS

«L'utilisation intensive d'une chaîne numérique intégrant beaucoup de simulation nous a permis de réduire le cycle de développement de nos groupes motoventilateurs de plus de douze mois, il y a trois ans, à moins d'un mois actuellement, prototypes et essais de validation compris », affirme Stéphane Moreau, responsable du développement de ces produits chez Valeo Moteur et Actionneur. Chez Valeo, les modèles CAO issus de Catia V4 sont ainsi mis à profit pour les calculs aérauliques, électromagnétiques et thermiques, l'analyse du bruit, ainsi que pour la rhéologie des pièces plastiques, l'optimisation de l'ensemble complet et la fabrication des prototypes. « Nous utilisons des codes comme Tascflow pour améliorer le rendement de nos hélices ou le refroidissement interne de nos moteurs électriques. » L'ensemble de ces calculs sert à optimiser automatiquement le nombre, la position et la forme des pales des hélices. Le modèle maillé est validé en fonction d'un certain nombre de paramètres. Après chaque calcul, le logiciel modifie la géométrie du modèle. Des prototypes sont ensuite réalisés à l'aide d'une machine Stratasys pour mener des essais physiques dont la corrélation est comprise entre 5 et 10 % par rapport aux calculs.

"IL FAUT PASSER DE L'ARTISANAT À L'INDUSTRIE."Alain de Rouvray Pdg d'ESI Group

«O n ne pourra pas indéfiniment extrapoler l'avenir en partant des expériences du passé. On ne progressera en simulation numérique qu'en faisant une réelle rupture méthodologique, prévient d'entrée de jeu Alain de Rouvray, PDG d'ESI Group. L'expertise, c'est de l'expérience figée, donc obsolète. C'est un rétroviseur qui permet de voir plus loin derrière, mais pas devant. Il faut donc faciliter l'accès à cette expérience en documentant les bonnes pratiques, tout en laissant à l'ingénieur la possibilité de mener ses propres expériences de type What/If. Une approche plus propice à l'innovation Il faut se défaire de la traditionnelle méthodologie de simulation essai-erreur visant à augmenter la confiance que l'on peut accorder aux prototypes physiques, pour se diriger vers une approche Design by Analysis plus propice à l'innovation. Il s'agit alors d'envisager tous les modes de ruine pouvant affecter le produit, lorsqu'on le pousse vers des conditions de fonctionnement excessives et de le dimensionner afin de s'éloigner des zones critiques, tout en restant dans une épure économiquement viable.Cela passe par une évaluation correcte des coefficients de sécurité en fonction de la probabilité de survenue du risque, ainsi que par une simulation intrinsèque où l'on utilise des échantillons de matière calibrés indépendamment des valeurs de chargement et de la géométrie des pièces. »

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