1er Année Master Mécanique, Robotique et Matériaux Innovants
Compte rendu
TD Fabrication Additive Optimisation topologique d’un cadre de vélo
Réalisé par : KHERBECH Rachid
Demandé par : MNS Nissabouri Salah
Année Universitaire : 2023/2024
Master MRMI ENSET – MOHAMMADIA
Master MRMI ENSET – MOHAMMADIA
1 - Contexte de l’étude et cahier des charges
Vous êtes dans un bureau d’étude qui conçoit des vélos de ville. On vous charge de concevoir un cadre original, peu encombrant et le plus léger possible. La pièce doit pouvoir supporter une personne de 100kg debout sur les pédales, ou assise sur la selle. On vous fournit le cahier des charges suivant :
Diagramme des interacteurs – phase d’utilisation :
ENSET – MOHAMMADIA
Master MRMI
Fonction Description Critère Niveau Flexibilité FP1 Permettre à l’utilisateur de se déplacer en milieu urbain de
ergonomique Confort en pédalage Confort en transport Masse maximale Encombrement Esthétique Très confortable Confortable 5kg Minimal Originale F1 F1 F0 F1 F1 FC1 S’adapter à l’utilisateur Masse Taille moyenne 100kg 1m80 2kg F1 FC2 Permettre l’assemblage avec la selle Diamètre Longueur de guidage 40mm 145mm F0 5mm FC3 Permettre l’assemblage avec la roue arrière Forme des fourchettes de fixation Même forme 0,5mm FC4 Permettre l’assemblage avec le pédalier Diamètre Longueur de guidage 80mm 120mm F0 5mm FC5 Résister au milieu urbain Abrasion Corrosion Résister aux rayures Résister à la corrosion F0 F0 FC6 Permettre l’assemblage avec la fourche Diamètre Longueur de guidage 54mm 160mm F0 5mm ➢
façon
1 - Contexte de l’étude et cahier des charges o
2 - Analyse statique initiale
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Fourchettes de fixation de la roue arrière
Barre cylindrique support de selle
Boite de pédalier
Barre cylindrique
Tubesupport de guidon
Surface d’appui de la fourche (Couronne)
Master MRMI ENSET – MOHAMMADIA
La masse dans ce cas du cadre est m = 8.2429 kg
Master MRMI ENSET – MOHAMMADIA o o
1. Charge 100 kg sur le cadre/ et 50 Kg au niveau de guidon
2. Maillage 5 mm
3. Articulation dans les formes cylindriques
Les efforts
Les contraintes
Lancez une analyse de la pièce. Relevez les paramètres suivants :
Résultats d’étude statique sur le cadre initial mesh de 3mm
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On souhaite diminuer la masse, ce qui paraît pertinent étant donnée la valeur du coefficient de sécurité. Au lieu de passer du temps à diminuer certaines épaisseurs de tube, modifier le cadre et effectuer des analyses pour vérifier la tenue mécanique, on se propose d’utiliser un logiciel d’optimisation topologique.
3 - Optimisation topologique :
Le principe de l’optimisation topologique est, à partir d’un cas de chargement, d’enlever la matière dans les zones où les contraintes sont les plus faibles. Il en résulte une CAO présentant de la matière uniquement dans les zones fortement sollicitées. Ceci permet d’obtenir des pièces respectant le cahier des charges tout en minimisant la masse.
o
• Objectif : maximiser la raideur (le cadre doit impérativement résister aux efforts).
• Masse à respecter : masse totale m = 5kg
• Avant de lancer notre étude d’optimisation topologique on va préparer le cadre :
Protéger ces parties fonctionnelles du cadre et éviter l'étude d'optimisation à ces parties.
Les résultats d’optimisation topologique :
Master MRMI ENSET – MOHAMMADIA Simulation Maillage Temps (min) Coefficient de sécurité Déplacement max Contrainte max 1 5 mm 5 :06 15 0 .06 4 .787 2 3 mm 16 :19 15 0.06 5.793
La masse totale respecter le cahier de charge m = 5kg et Cette masse représente 60.65% du cadre initiale.
Le cadre après la préparation et après réduire la matière inutile basons sur les résultats de l’optimisation topologique
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Commenter à la géométrie obtenue :
Masse : La masse a diminué d'environ 3 kg après l'optimisation par rapport au cadre initial. Cela suggère une utilisation plus efficace des matériaux et une optimisation de la structure pour réduire le poids tout en maintenant ou en améliorant ses performances.
La forme : modifiée pour optimiser la distribution des matériaux, tout en minimisant l'utilisation de matériaux là où ils ne sont pas nécessaires. Cela peut conduire à une géométrie plus complexe et optimisée.
Différences majeures par rapport au cadre initial :
Réduction de la masse : La réduction significative de la masse est la différence la plus notable.
Complexité de la géométrie : La géométrie obtenue après l'optimisation peut être plus complexe que le cadre initial en raison des modifications apportées pour optimiser la structure. Cela peut rendre la fabrication plus complexe mais peut conduire à des performances améliorées.
Problème lié à la forme obtenue :
Le problème principal associé à la forme obtenue après l'optimisation pourrait être lié à l'augmentation des contraintes dans certaines zones critiques Lorsque la matière est retirée pour réduire la masse, cela peut conduire à une redistribution des contraintes à travers le composant. En conséquence, certaines zones critiques peuvent subir une augmentation des contraintes, ce qui pourrait entraîner des points de stress élevés ou une déformation excessive. En d'autres termes, même si l'optimisation peut réduire la masse, elle peut également augmenter les contraintes dans certaines parties de la pièce, ce qui pourrait compromettre sa performance ou sa durabilité
4 – Simulation et validation :
L’étude statique du cadre optimisé vise à vérifier la marge de sécurité :
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Simulation Maillage Temps (min) Coefficient de sécurité Déplacement max (mm) Contrainte max (MPa) V itération 1 8 mm 12 :45 6.108 0.387 45,009 … itération 2 5 mm 22 :23 6,112 0.387 44.96 itération 3 3 mm 28 : 14 5,047 0,390 54,484
L’étude statique du cadre optimisé à Maillage de 3mm :
• Quelle est la masse finale ? Est-ce acceptable ?
La masse finale est m = 5,333 Kg
Oui, en nous référant au cahier des charges, nous constatons que la masse finale ne doit pas dépasser 5kg, nous estimons que la masse obtenue après l’optimisation topologique est acceptable et après finition et quelque ajustement supplémentaire sur le cadre, nous pensons qu’elle pourrait atteindre exactement 5kg
• Quel coefficient de sécurité obtenez-vous ? Commentez
le coefficient de sécurité obtenu est SF = 6.11.
le coefficient de sécurité en général représente la marge de sécurité ou le rapport entre la résistance à la traction et la charge appliquée, le coefficient de sécurité garantit que la structure étudié peut supporter les charges sans défaillance (sans se rompre ou se déformer).
Alors dans ce cas le coefficient de sécurité de 6.11 signifie que le cadre est capable de supporter les charges qu’on nous avons appliquées jusqu’à 6 fois.
• Analysez la déformée, et la déformation maximale, que constatez-vous ?
En ce qui concerne la déformation, le cadre optimisé est plus susceptible de se déformer par rapport au cadre initial. Cela est dû au fait que lorsque de la matière est retirée du cadre, cela créer des zones critiques où les points de contrainte sont élevés, entraînant une déformation excessive
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• Quelles zones sont soumises à de la traction ? flexion ? compression ?
Les zones de compression
La zone de flexion
Les zones de traction
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5 - Conclusion
Lors de la comparaison entre le cadre initial et le cadre optimisé, des modifications significatives sont observées dans la géométrie et la forme, avec une réduction notable de la masse dans le cadre optimisé. Cependant, ces modifications peuvent entraîner une redistribution des contraintes, nécessitant une évaluation minutieuse de la marge de sécurité et de la résistance pour garantir la performance et la durabilité du cadre dans diverses conditions d'utilisation.
Nous proposons deux procédés de fabrication pour ce cadre optimisé.
Fabrication additive métallique frittage sélectif par laser (FSL), fusion laser par projection de poudre (SLM) et soudage de barres.
Frittage sélectif par laser (FSL) : Le frittage sélectif par laser est un procédé de fabrication additive dans lequel un laser est utilisé pour fusionner sélectivement des particules de matériau, généralement de la poudre métallique, couche par couche. Cela permet de créer des pièces tridimensionnelles en ajoutant progressivement du matériau là où il est nécessaire, selon les données de conception.
Fusion laser par projection de poudre (SLM) : La fusion laser par projection de poudre est également un procédé de fabrication additive qui utilise un laser pour fondre sélectivement de la poudre métallique. Dans ce processus, la poudre métallique est projetée à travers un jet de gaz sur la surface de fabrication où elle est ensuite fondue par un laser. Cela permet de créer des pièces complexes et de haute qualité avec une grande précision.
Soudage de barres : Le soudage de barres est un processus de fabrication qui consiste à assembler les différentes parties d'une structure, dans ce cas, les barres métalliques du cadre, en les chauffant à haute température jusqu'à ce qu'elles fondent et se fusionnent ensemble. Cela crée une liaison solide et permanente entre les barres, formant ainsi la structure finale du cadre.
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Avantages de l'optimisation topologique :
L'optimisation topologique offre une réduction significative de la masse des produits tout en maintenant leur performance structurelle, permettant ainsi des économies de matériaux et de coûts. De plus, elle favorise des conceptions innovantes et organiques qui peuvent améliorer les performances par rapport aux méthodes de conception traditionnelles, offrant ainsi une approche plus efficace et durable du développement de produits.
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Inconvénients de l'optimisation topologique :
Cependant, l'optimisation topologique peut entraîner des défis liés à la complexité de fabrication, car les géométries optimisées peuvent parfois être difficiles à produire. De plus, elle nécessite une interprétation complexe des résultats et peut être sensible aux variations des conditions de charge, nécessitant ainsi une analyse approfondie pour garantir la fiabilité et la sécurité des produits.
6 – Synthèse
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