Constructive generative design methods for qualified additive manufacturing

par Zhiping Wang

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Alain Bernard et de Yicha Zhang.

Soutenue le 06-10-2021

à l'Ecole centrale de Nantes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes (laboratoire) .

Le président du jury était Nabil Anwer.

Le jury était composé de Alain Bernard, Yicha Zhang, Nabil Anwer, Daniel Brissaud, James Gao, Grégoire Allaire, Charlie Wang, Stefania Bruschi.

Les rapporteurs étaient Daniel Brissaud, James Gao.

  • Titre traduit

    Méthodes de conception générative constructive pour la fabrication additive qualifiée


  • Résumé

    Les technologies de fabrication additive (FA) donnent de plus en plus de liberté de conception aux concepteurs et aux ingénieurs pour concevoir et définir des géométries et des compositions de matériaux très complexes. En raison d'un traitement couche par couche, les contraintes, méthodes, outils et processus de conception en FA sont différents de ceux des processus de fabrication traditionnels. Les méthodes et outils de conception traditionnels ne peuvent pas répondre aux besoins de la conception en FA. Par conséquent, un nouveau domaine de recherche, la conception pour la FA (Design for AM - DfAM), a émergé pour répondre à ce besoin. Cependant, les méthodes de DfAM existantes sont soit des lignes directrices, soit des outils de calculs, qui ont une prise en compte limitée des contraintes couplées le long de la chaîne de traitement numérique de la FA et peinent à garantir la fabricabilité de la conception en FA. Pour contribuer à l’obtention d’une conception qualifiée en FA, ce travail de thèse se concentre sur trois problèmes existants typiques dans le domaine du DfAM : premièrement, com-ment assurer la fabricabilité dans le processus d’optimisation topologique ? Deuxièmement, comment concevoir des structures de supports allégées, faciles à retirer pour le post-traitement et de diffusion de chaleur conviviales pour assurer la précision de la forme et améliorer la rugosité de surface des pièces imprimées ? Enfin, comment éviter les pertes de précision lors de la préparation de l'impression de structures en treillis complexes et assurer leur fabricabilité lors de la conception ?Pour résoudre les trois problèmes identifiés, ce travail de thèse propose un ensemble de nouvelles méthodes de conception générative constructive : 1. Méthode de conception générative basée sur un modèle CSG pour assurer la fabricabilité dans l'optimisation de la topologie de la structure allégée ; 2. Méthode de conception générative constructive basée sur des modèles pour optimiser la conception de la structure de supports et 3. Conception constructive inversée basée sur les « parcours d'outils » pour obtenir directement des modèles de traitement de structures poreuses ou de réseaux complexes correspondants avec des « parcours d'outils » pour obtenir directement des modèles de traitement de structures poreuses ou de réseaux complexes correspondants avec des « parcours d'outils » d'impression qualifiés. Les trois méthodes proposées intègrent les contraintes de processus de FA, réalisent un contrôle paramétrique et économisent des coûts de calcul dans le processus de conception pour obtenir un ensemble de solutions de conception candidates avec une fabrication garantie. Un ensemble d'études comparatives avec les méthodes DfAM existantes et quelques études de cas expérimentaux dans des applications médicales ont démontré les avantages des méthodes proposées. Ces méthodes constructives peuvent avoir un grand potentiel d'application pour être adoptées comme outils de conception et de prise de décision pour d'autres applications industrielles lorsqu'un DfAM qualifié est requis.


  • Résumé

    Additive manufacturing (AM) technologies give more and more design freedom to designers and engi-neers to design and define highly complex geometries and material compositions. Due to a layer-by-layer processing, the constraints, methods, tools and processes of design in AM are different from that in traditional manufacturing processes. Traditional design methods and tools cannot meet the needs of design in AM. Therefore, a new re-search field, design for AM (DfAM), has emerged to serve this need. However, existing DfAM methods are either guidelines or pure computation-based, which have limited consideration of coupled constraints along the AM digital processing chain and are difficult to ensure manufactura-bility of design in AM. To obtain qualified design in AM, this research focuses on three typical existing problems in DfAM domain: Firstly, how to ensure manufacturability in (topology optimization) TO process? Secondly, how to design support structures with lightweight, easy-to-remove for post-processing and friendly heat-diffusion properties to ensure shape accuracy and improve surface roughness of printed parts? Finally, how to avoid accuracy loss in print-ing preparation of complex lattice structures and ensure their manufacturability in design?To solve the three identified problems, this research developed a set of new constructive genera-tive design methods: 1. CSG-based generative design method to ensure manufacturability in light-weight topology optimization; 2. Pattern-based constructive generative design method to optimize support structure design and 3. Toolpath-based inversed constructive design to directly ob-tain processing models of corresponding complex lattice or porous structures with qualified print-ing toolpaths. The three proposed methods can well embed AM process constraints, realize para-metric control and save computation cost in design process to obtain a set of candidate design solutions with ensured manufacturability. A set of comparison studies with existing DfAM meth-ods and a couple of experiment case studies in medical applications demonstrated the methods’ advantages. These constructive methods may have large application potential to be adopted as design and decision making tools for other industrial applications when qualified DfAM is required.


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