Méthode pour l'intégration des structures treillis dans la conception pour la fabrication additive

Method for integration of lattice structures in design for additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Abdul Hadi Azman
• Direction : François Villeneuve, Frédéric Vignat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Industriel : conception et production
• Date : Soutenance le 24/02/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour la conception, l'optimisation et la production (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Coutellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Maire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Pailhes, Lionel Roucoules

Mots clés

Mots clés contrôlés

Toiles métalliques

Charpentes métalliques

Prototypage rapide

Mots clés libres

Conception

Structures treillis

Fabrication Additive

Cao

Product Design

Lattice Structures

Additive Manufacturing

Cad

Résumé

Il est maintenant possible de fabriquer des structures treillis métalliques facilement avec la fabrication additive. Les structures en treillis peuvent être utilisées pour produire des pièces de faible masse et de haute résistance. Il n’existe pas de méthode de conception pour les structures treillis. Cette thèse se concentre sur les méthodes de conception des structures treillis et la manipulation dans le CAO et FAO pour faciliter l'intégration des structures treillis dans les produits. La thèse a abordé les questions de recherche suivantes:• Pourquoi les structures treillis sont-elles si peu utilisées dans la conception?• Quelles sont les informations nécessaires pour aider les concepteurs à concevoir des pièces contenant des structures treillis?• Comment les structures treillis peuvent-elles être créées rapidement et facilement dans le CAO?Les principales contributions sont les suivantes:• Une évaluation des outils CAO actuels dans la conception de structures en treillis en termes d'interface homme machine, de formats de fichiers CAO et de FAO pour la fabrication d'additive a été effectuée. Les résultats montrent que les outils de CAO et les formats de fichier CAO actuels ont des performances insuffisantes dans le contexte de la conception pour la fabrication d'additive. Les outils de CAO actuels créent et représentent actuellement des structures en treillis utilisant les surfaces limites des volumes. Cela contribue ainsi à la grande taille des fichiers, à une consommation élevée de mémoire vivre, ainsi des opérations fastidieuses pour les modélisations.• Une nouvelle stratégie de conception de structures treillis. Cette méthode sert de guide aux concepteurs pour l'intégration des structures en treillis dans les pièces fabriquées par fabrication additive en utilisant le matériau équivalent. Les concepteurs auront à leur disposition les informations nécessaires pour choisir les types et la densité des structure treillis à utiliser.• Une méthodologie pour calculer les propriétés matériau équivalent. Ces matériaux équivalents remplacent le besoin de créer des structures treillis dans le CAO et de les calculer par éléments-finis. Cela permettra d'économiser du temps dans la création de modèles CAO 3D et les calculs éléments finis.• Les principales caractéristiques géométriques des structures treillis ont été déterminées. Un modèle squelettique a été présenté pour définir les structures treillis à partir de points, de lignes, de sections et de joints au lieu des surfaces et des volumes. Une méthode est présentée pour visualiser et découper les structures treillis à partir du modèle squelette.

It is now possible to manufacture metallic lattice structures easily with additive manufacturing. Lattice structures can be used to produce high strength low mass parts. However, it does not exist a method to design lattice structures for additive manufacturing. This PhD focuses on lattice structure design methods and manipulation in CAD, CAE and CAM tools to facilitate the wide use of lattice structures in products. The thesis addressed the following research questions:• Why are lattice structures so little used in part designs?• What are the information necessary to help designers to design parts containing lattice structures?• How can lattice structures be created quickly and easily in CAD?The main contributions are:• An evaluation of current CAD tools in terms of human machine interface, CAD file formats, CAE and CAM to design lattice structures was conducted. The results show that current CAD tools and CAD file formats have insufficient performance in the context of design for additive manufacturing. Current CAD tools create and represent lattice structures using surfaces and volumes. This contributes to large file sizes, high RAM consumption, as well as time-consuming creations and operations.• A new lattice structure design strategy. This method serves as a guideline for designers to integrate lattice structures in additive manufactured parts using the concept of equivalent material. Designers will be able to choose lattice structure patterns and densities.• A methodology to create equivalent materials is presented. It is solid and does not contain any struts, thus has few surfaces only. With this equivalent material, it will be easier and quicker to conduct FEA due to the small number of surfaces involved. The characteristics of different lattice structure patterns and densities were determined, which are the relative Young’s modulus and relative strength in function of the relative density. This methodology can be applied to all lattice structures.• The main lattice structure geometrical characteristics were determined. A skeleton model was presented to define lattice structures with points, lines, sections and joints instead of surfaces and volumes. A method is presented to visualise in CAD and slice lattice structures in CAM from the skeleton model.