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THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LA COMMUNAUTÉ UNIVERSITÉ GRENOBLE ALP

THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LA COMMUNAUTÉ UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialité : GI : Génie Industriel : conception et production Arrêté ministériel : 25 mai 2016 Présentée par Thanh Hoang VO Thèse dirigée par Frédéric VIGNAT, Maitre de Conférences, Grenoble INP préparée au sein du Laboratoire Laboratoire dSciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble dans l'École Doctorale I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production La demarche de conception pour la fabrication additive: choix des modes de representation dans la phase d'analyse The design process for additive manufacturing: choice of representation modes in the analysis phase Thèse soutenue publiquement le 29 septembre 2017, devant le jury composé de : Monsieur Frédéric VIGNAT MCF, Université de Grenoble Alpes, Directeur de thèse Madame Nadège TROUSSIER Professeur des Universités, Université de Technologie de Troyes, Rapporteur Monsieur Lionel ROUCOULES Professeur des Universités, Arts et Métiers ParisTech à Aix En Provence, Rapporteur Monsieur Guy PRUDHOMME Maître de Conférences, Université de Grenoble Alpes, Co-directeur de thèse Monsieur Philippe MARIN Maître de Conférences, Université de Grenoble Alpes, Co-directeur de thèse Monsieur Luc MATHIEU Professeur des Universités, Paris Sud - IUT de Cachan LURPA - ENS Paris Saclay, Président Table Table Table Table des matières des matières des matières des matières Table des figures Liste des tableaux Chapitre 1 : Contexte général de l’étude ........................................................................ 1 1.1. La Fabrication Additive ...................................................................................... 2 1.1.1. Le développement de la fabrication additive ............................................. 3 1.1.2. Les procédés métalliques de FA .................................................................. 5 1.2. Représentations intermédiaires de la pièce dans un processus de conception… ...............................................................................................................11 1.2.1. Processus de conception – Axiomatic Design ...........................................11 1.2.2. Les représentations intermédiaires de la pièce ........................................13 1.3. Question de recherche globale ........................................................................16 1.4. Présentation la structure du rapport ...............................................................18 Chapitre 2 Méthodologie de recherche ........................................................................19 2.1. Méthodologie de recherche de conception – Design Research Methodology (DRM) .........................................................................................................................20 2.1.1. La définition du modèle DRM ...................................................................20 2.1.2. Types de recherche avec le modèle DRM .................................................25 2.2. Notre méthodologie de recherche ..................................................................26 2.2.1. Notre méthodologie de recherche à la référence du type 5 de modèle DRM…… ...................................................................................................................26 2.2.2. Application pour répondre à deux questions de recherche .....................27 Chapitre 3 La démarche du processus de conception pour la fabrication additive .....31 3.1. Etat de l’art du processus de la conception pour la fabrication additive (Research Clarification 1a) .........................................................................................32 3.1.1. Les règles de conception pour fabrication additive..................................32 3.1.2. Méthodologies de conception existantes pour la fabrication additive ....35 3.1.3. La synthèse ................................................................................................44 3.2. Etude de cas (Descriptive Study 1a) ................................................................45 3.2.1. Présentation l’étude de cas.......................................................................45 3.2.2. La démarche de conception d’une pièce pour la fabrication additive EBM……. ..................................................................................................................46 3.2.3. Résultat......................................................................................................53 3.3. Une proposition de processus de conception pour la fabrication additive (Prescriptive Study 1a) ...............................................................................................54 3.4. Tester et Evaluer notre processus de conception pour la fabrication additive (Descriptive Study 2a) ................................................................................................56 3.4.1. Définition de la forme initiale ...................................................................57 3.4.2. Reconstruction modèle CAO .....................................................................59 3.4.3. Evaluation ..................................................................................................63 3.5. Conclusion ........................................................................................................67 Chapitre 4 Modèle pour choisir entre les types de représentation intermédiaire dans une situation du processus de conception ...................................................................69 4.1. Research Clarification ......................................................................................70 4.1.1. Etude bibliographie de la notion de situation de conception .................70 4.1.2. La définition des termes « maquette virtuelle », « maquette physique » et « prototype » ..........................................................................................................71 4.1.3. Etude bibliographie des caractéristiques des MV, MP et P pour assister le processus de conception ........................................................................................76 4.1.4. Les critères de choix entre MV, MP et P issus de l’étude de cas du chapitre 3…………. ..................................................................................................................82 4.1.5. Problématique de recherche affinée ........................................................83 4.2. Etude de cas (Descriptive Study) .....................................................................84 4.2.1. L’analyse des cas rencontrés dans notre processus de conception .........86 4.2.2. Les résultats importants de l’étude de cas ...............................................97 4.3. Une proposition de méthode de choix (Prescriptive Study) ........................ 100 4.3.1. La méthodologie du raisonnement à partir de cas ................................ 100 4.3.2. Méthode de choix entre MV et P pour évaluer la pièce dans une situation donnée du processus de conception en utilisant la méthodologie de CBR ........ 105 Chapitre 5 Application de la méthode de choix ......................................................... 123 5.1. Première étude de cas : reconception de la chape .................................... 124 5.1.1. Déterminer le cas cible ........................................................................... 125 5.1.2. Phase remémoration .............................................................................. 126 5.1.3. Phase de réutilisation ............................................................................. 128 5.1.4. Phase réalisation .................................................................................... 130 5.1.5. Phase d’apprentissage ........................................................................... 131 5.2. Appliquer la méthode de choix dans le processus de reconception de la pièce Rheonova ................................................................................................................ 132 5.2.1. Déterminer le cas cible ........................................................................... 132 5.2.2. Phase remémoration .............................................................................. 134 5.2.3. Phase réutilisation .................................................................................. 135 5.2.4. Phase réalisation .................................................................................... 137 5.2.5. Phase apprentissage .............................................................................. 137 5.3. Conclusion ..................................................................................................... 139 Chapitre 6 Conclusions et perspectives ..................................................................... 141 6.1. Conclusion ..................................................................................................... 142 6.2. Perspectives .................................................................................................. 145 Bibliographie .............................................................................................................. 149 Table des figures Table des figures Table des figures Table des figures Figure 1-1: Les étapes principales du procédé de fabrication additive (Source : Benoit VERQUIN – Cetim) ........................................................................................................... 2 Figure 1-2: Des pièces fabriquées par la fabrication additive (Source : http://actu- imprimante3d.blogspot.fr/2015/09/dossier-les-materiaux-pour-limpression.html) .... 3 Figure 1-3: La proportion des procédés de FA (en %) [4] ............................................... 4 Figure 1-4: Les secteurs d'application de fabrication additive [3] .................................. 5 Figure 1-5: La classification des procédés de FA selon la méthode de modélisation [7] ......................................................................................................................................... 5 Figure 1-6: Le principe du procédé de la "fusion laser" [8]............................................. 6 Figure 1-7: Le principe du procédé de faisceau électron [8] .......................................... 8 Figure 1-8: Evolution de la limite élastique, de la limite mécanique et de l’allongement à la rupture en fonction de température de préchauffe des couche en EBM ................................................................................................................................10 Figure 1-9: Synthèse des caractéristiques de procédé FA métallique ..........................10 Figure 1-10: Processus de conception selon Aoussat ...................................................12 Figure 1-11: SUH - Axiomatic Design .............................................................................12 Figure 1-12: Vues de profil et de dessus de la Mazda Mx5 [34] ...................................14 Figure 1-13: Une maquette physique dans le projet Anfa-Sky au Maroc .....................14 Figure 1-14: Maquette virtuelle d'un PDA de Hewlett-Packard ...................................15 Figure 1-15: prototype virtuel de téléphone mobile [38] .............................................15 Figure 1-16: Chaine numérique de la conception .........................................................16 Figure 2-1: Modèle de DRM [4] .....................................................................................21 Figure 2-2: les types de recherche avec le modèle DRM ..............................................25 Figure 2-3: Modèle DRM pour répondre à la question du processus de conception pour la fabrication additive ...........................................................................................28 Figure 2-4: Application le modèle DRM pour répondre à la deuxième question de recherche .......................................................................................................................28 Figure 3-1. Les surfaces besoin des supports [71] ........................................................32 Figure 3-2. Étude expérimentale de la distance minimum entre deux éléments [72] .33 Figure 3-3. La distance minimum entre deux éléments est de 0,3mm [72] .................33 Figure 3-4. Étude expérimentale du diamètre du trou sans besoin de support...........33 Figure 3-5. Le diamètre du trou sans besoin des supports ...........................................33 Figure 3-6. a) Méthodologie de conception; b) Pièce initiale pour étude de cas .........34 Figure 3-7. Appliqué la méthodologie à une étude de cas ...........................................35 Figure 3-8. Méthodologie de conception pour la fabrication additive [4] ...................36 Figure 3-9. Schématisation de l’étape de définition du domaine de conception et des données nécessaire [74] ................................................................................................37 Figure 3-10. Illustration de la définition du domaine fonctionnel [74] ........................37 Figure 3-11. Définition de la géométrie théorique [74] ................................................38 Figure 3-12. Détermination d'une géométrie réaliste [74] ...........................................39 Figure 3-13. Représentation schématique de la démarche de conception proposée [75] .................................................................................................................................40 Figure 3-14. Génération de forme initiale (a) approche guidée; (b) approche optimisation topologique [5] .........................................................................................41 Figure 3-15. Balançages possibles pour une pièce en forme de ‘L’ [5] .........................42 Figure 3-16. Forme reconçue à partir le résultat obtenu par optimisation topologique [5] ...................................................................................................................................42 Figure 3-17: Démarche proposée à l’issue de l'état de l'art pour concevoir une pièce par fabrication additive .................................................................................................44 Figure 3-18: Pièce à reconcevoir ...................................................................................44 Figure 3-19: L'optimisation topologique .......................................................................46 Figure 3-20: Volume de conception ..............................................................................46 Figure 3-21: Modèle de l’étape de définition de la forme initiale ................................47 Figure 3-22: Les résultats différents de l'optimisation topologique .............................48 Figure 3-23: Les modèle 3D ...........................................................................................49 Figure 3-24: Boucle de reconstruction modèle CAO 3D ...............................................50 Figure 3-25: Evaluer ou valider et finaliser la conception de la pièce ..........................51 Figure 3-26: Boucle d'évaluation de la pièce ................................................................52 Figure 3-27: Proposition d’un processus de conception pour la fabrication additive ..53 Figure 3-28: Méthode de reconstruction modèle CAO 3D ...........................................54 Figure 3-29: Reconception d’une pièce en appliquant notre processus de conception pour la fabrication additive ...........................................................................................55 Figure 3-30: Espace de conception et espaces fonctionnels ........................................56 Figure 3-31: Modèle des conditions aux limites ...........................................................57 Figure 3-32: Résultat de l'optimisation topologique.....................................................57 Figure 3-33: Modifier la modélisation de la liaison linéaire annulaire .........................58 Figure 3-34: Résultat final de l'optimisation topologique.............................................58 Figure 3-35: Analyse le résultat de l'optimisation topologique pour reconstruction CAO ................................................................................................................................59 Figure 3-36: Modèle CAO 3D .........................................................................................59 Figure 3-37: Résultats des calculs éléments finis (a) pièce initiale; (b) pièce issue de l'optimisation topologique ............................................................................................60 Figure 3-38: Solution de la géométrie de la pièce ........................................................61 Figure 3-39: Optimisation paramétrique ......................................................................61 Figure 3-40: Résultat du calcul éléments finis...............................................................62 Figure 3-41: Intégration des structures treillis ..............................................................63 Figure 3-42: Résultat du calcul éléments finis de la géométrie finale ..........................63 Figure 3-43: (a) Le prototype; (b) La pièce cassé pendant l'usinage .............................64 Figure 3-44: (a) Vérification par calcul éléments finis; (b) Pièce cassée dans l'essai....64 uploads/Industriel/ demarche-de-conception-additive-these.pdf