Les logiciels d’optimisation topologique pour l’impression 3D

L’optimisation technologique est une approche d’optimisation structurelle visant à déterminer la géométrie minimale d’un composant. Grâce à des calculs informatisés, elle permet d’affiner le concept de base d’un élément afin de minimiser la quantité de matériau utilisée, tout en préservant ses performances. Cette réduction de matière entraîne également une baisse des coûts de fabrication. L’intérêt croissant pour l’optimisation topologique touche de nombreux secteurs, stimulant ainsi la demande pour des logiciels spécialisés. D’après un rapport de Market Research Intellect, le marché des logiciels d’optimisation de la topologie structurelle devrait atteindre 21,02 milliards de dollars d’ici 2031, avec un taux de croissance annuel de 11,09 % entre 2024 et 2031. Face à cette tendance, le développement de nouvelles solutions d’optimisation topologique s’accélère. Mais où en sommes-nous aujourd’hui ? Explorons les logiciels d’optimisation topologique utilisés dans la fabrication additive.

3DXpert

3DXpert est un logiciel tout-en-un appartenant à l’origine à 3D Systems, passé sous la marque Oqton en 2022. 3D Systems a racheté Oqton en 2021, qui est désormais une filiale logicielle indépendante. Conçu pour optimiser l’ensemble du processus de fabrication, de la conception à l’impression, 3DXpert unifie tous les aspects de l’impression 3D au sein d’un même environnement. Il permet de minimiser les erreurs coûteuses en intégrant des fonctionnalités essentielles telles que la conception pour la fabrication additive (DfAM), la préparation de l’impression, la simulation et l’inspection. En plus de ces capacités, le logiciel propose des outils avancés dédiés à l’optimisation de la conception, notamment l’allègement des structures, la texturation et les ajustements liés à l’imprimabilité. Il inclut des fonctionnalités comme l’optimisation topologique, le maillage, la texturation et la modélisation implicite. Adapté aux besoins industriels, 3DXpert se distingue par son efficacité, son automatisation et sa rapidité, en facilitant les processus de fabrication dans divers secteurs.

Altair Engineering et sa gamme de logiciels d’optimisation topologique

Altair Engineering est une entreprise spécialisée dans le développement de logiciels et de solutions cloud. Son offre comprend plusieurs solutions de modélisation 3D, dont certaines sont spécifiquement conçues pour la fabrication additive.Parmi ses produits phares, Altair® HyperWorks® se distingue comme une plateforme complète de conception et de simulation. Elle intègre l’optimisation topologique en analysant l’intégrité structurelle des conceptions, leur durabilité, leur dynamique, leur poids, leur résistance et l’efficacité des matériaux. Cette plateforme inclut notamment OptiStruct, un outil avancé proposant diverses méthodes d’optimisation structurelle adaptées aux processus de fabrication traditionnels, composites et additifs. Altair a également développé la suite Altair Inspire, conçue pour accélérer la conception basée sur la simulation. L’offre logicielle d’Altair couvre également d’autres domaines de fabrication, notamment la conception de moules, l’extrusion de métaux et de polymères, et bien plus encore.

Ameba de XIE Technologies

Ameba, développé par XIE Technologies, est un logiciel d’optimisation topologique conçu pour être à la fois puissant et intuitif. Il repose sur la technologie BESO (Bi-directional Evolutionary Structural Optimisation), mise au point par le professeur Yi-Min (Mike) Xie, et s’intègre avec Rhino-Grasshopper pour la modélisation et le post-traitement des modèles. Ameba permet une analyse rapide des modèles finis et optimise leur topologie en un temps réduit. Il inclut également de nombreuses bibliothèques de calcul et des fichiers open-source, facilitant la manipulation des données aussi bien en pré-traitement qu’en post-traitement. Enfin, avec sa grande capacité d’extension et sa compatibilité avec d’autres logiciels, Ameba se distingue comme un outil polyvalent, idéal pour la conception avancée.

Ansys Additive Suite

Ansys Additive Suite est une solution complète et puissante dédiée à la fabrication additive métallique, permettant d’éviter les échecs de fabrication et de garantir la conformité des pièces aux spécifications de conception. Elle offre aux concepteurs, ingénieurs et analystes des informations essentielles en couvrant l’ensemble du flux de travail, de l’optimisation de la topologie à la validation de la conception. Grâce à ses fonctionnalités avancées, elle permet la manipulation des fichiers STL, l’analyse structurelle et thermique, ainsi que la simulation des processus additifs, incluant la fusion laser sur lit de poudre (DMLS), le DED et le frittage des métaux. Par ailleurs, Ansys Discovery, premier outil de conception basé sur la simulation combinant simulation physique instantanée et modélisation avancée, reste toujours disponible pour accompagner dans les projets de fabrication additive.

Crédits photo : Ansys

COMSOL Multiphysics®

COMSOL Multiphysics® est un logiciel complet dédié à l’optimisation topologique, permettant de maximiser la conception des pièces destinées à l’impression 3D. Il repose sur des méthodes numériques avancées et propose des outils de modélisation multiphysique et monophysique entièrement intégrés. Son interface intuitive facilite la gestion fluide et efficace de l’ensemble du flux de travail. Le logiciel est enrichi par un module complémentaire, le module d’optimisation, qui offre des outils supplémentaires pour l’estimation des paramètres ainsi que l’optimisation de la forme et de la topologie. Des exemples concrets de l’utilisation du module d’optimisation, tels que l’optimisation topologique d’un crochet pour améliorer la répartition des matériaux et du poids, ou la conception d’une bobine pour optimiser la densité du flux magnétique, sont disponibles sur le site web de COMSOL. De plus, COMSOL Multiphysics® propose deux interfaces utilisateur distinctes pour l’optimisation de la forme et des paramètres, offrant ainsi une flexibilité adaptée aux besoins spécifiques des utilisateurs.

Modèle de bobine optimisé pour obtenir un champ magnétique uniforme sur l’axe. (Crédits photos : COSMOL Multiphysics®.)

Cognitive Design Systems

Le logiciel Cognitive Design a été développé par l’entreprise française Cognitive Design Systems. Il offre de multiples fonctionnalités et a pour objectif d’optimiser les conceptions, quelle que soit leur complexité. En s’appuyant sur une approche basée sur la simulation, les concepteurs CAO peuvent identifier les meilleures stratégies pour réduire le poids de leurs modèles 3D et créer des formes inédites. Le logiciel propose par exemple l’intégration de nervures, de structures lattices ou de jouer sur les remplissages. L’utilisateur peut implémenter ces optimisations géométriques de façon semi-automatique, offrant ainsi une plus grande flexibilité et des temps de conception réduits. En plus de cela, Cognitive Design permet de générer des modèles qui seront imprimés en 3D et d’identifier dès cette étape les éventuels défauts de fabrication. Il va alerter par exemple sur l’épaisseur des nervures, sur le positionnement de la pièce sur le plateau, etc. C’est finalement une solution qui va au-delà de l’optimisation topologique et qui permettra de rationaliser le processus de production.

Netfabb

Acquis par Autodesk en 2015, Netfabb est une solution logicielle visant à préparer le processus de production. Ses principales caractéristiques sont la conversion et l’importation de modèles provenant de différentes applications de CAO, la maximisation du nombre de pièces pouvant être imprimées et, comme prévu, l’optimisation de la conception pour la fabrication additive. En plus de préparer le processus d’impression, le logiciel aide à réduire les défaillances pendant le processus de fabrication en prédisant comment les pièces pourraient être affectées. Netfabb est disponible en quatre versions différentes : Standard, Premium, ultime et Simulation, son prix varie donc en fonction de la version choisie.

Le logiciel nTop

Basée à New York, nTop est une entreprise spécialisée dans le développement de solutions d’optimisation topologique pour résoudre des problématiques d’ingénierie complexes dans le domaine de la fabrication additive. Son logiciel, nTop, offre une série de fonctionnalités qui transforment le processus de conception, d’optimisation et de mise à l’échelle des produits. En plus de la version de base, l’entreprise propose deux variantes pour étendre les capacités de modélisation. nTop Automate permet d’exécuter des flux de travail de conception à grande échelle dans un environnement programmatique, tandis que nTop Core facilite la connexion d’applications avec des fichiers implicites, évitant ainsi la conversion vers des maillages B-rep ou STL. Ce processus fluide garantit des conceptions plus précises et des pièces aux performances optimisées. Cette solution représente un choix particulièrement rentable pour l’industrie 3D, qui cherche à alléger les pièces tout en réduisant les coûts de production.

OpenPISCO

OpenPicso est un logiciel modulaire open source dédié à l’optimisation topologique, offrant un processus de conception structurelle compatible avec les treillis, les réseaux non structurés et les réseaux adaptés aux corps. Il dispose d’une interface utilisateur graphique intuitive, d’une application en ligne de commande et d’une bibliothèque Python. L’accent est mis sur la modularité, l’extensibilité et l’interopérabilité, permettant ainsi aux utilisateurs d’intégrer des routines, telles que des algorithmes d’optimisation ou le traitement des réseaux, sans avoir à modifier le code source. L’optimisation topologique repose sur un moteur de modélisation implicite. Actuellement, OpenPicso est développé par IRT SystemX et Safran Tech, au sein du Safran Research & Technology Center.

Crédits photo : OpenPisco

Siemens NX

L’entreprise Siemens a développé une solution logicielle intégrée baptisée NX. Elle permet à n’importe quel utilisateur de bénéficier de tous les avantages de la fabrication additive en simplifiant les étapes de modélisation. Concrètement, son outil permettra de concevoir pour l’impression 3D, de préparer sa pièce, de la visualiser, de multiplier les itérations, etc. Parmi les fonctionnalités proposées, l’optimisation topologique bien évidemment : elle s’inscrit dans ce que Siemens appelle la modélisation Convergente. Il a développé une solution pour permettre de faire converger la géométrie traditionnelle avec des modèles maillés dans un même modèle. L’utilisateur n’a plus besoin de passer par un autre format de fichier et de l’exporter s’il veut optimiser sa pièce : tout se fait sur la même plateforme. NX n’est donc pas un logiciel d’optimisation topologique à proprement parler : c’est une solution tout-en-un qui offre cette fonction pour la fabrication additive.

Crédits photo : Siemens

TopOpt

TopOpt est un outil intégré à Grasshopper, l’environnement de programmation visuelle de Rhinoceros 3D, conçu pour explorer de nouvelles méthodes d’optimisation topologique dans les domaines de l’architecture et de l’ingénierie des structures. Actuellement en phase alpha, TopOpt propose diverses stratégies d’optimisation, notamment une approche 2D dérivée d’une application mobile interactive, une méthode axée sur les structures continues optimisées pour la traction et la compression, ainsi qu’un modèle bi-matériaux destiné aux structures composites. À l’avenir, le développement du logiciel intégrera des fonctionnalités avancées comme l’optimisation 3D et une visualisation interactive plus poussée. Compatible avec Grasshopper pour Rhino 4 et 5, TopOpt constitue une avancée majeure pour les concepteurs souhaitant intégrer des solutions d’optimisation performantes dans leurs projets

Tosca

Tosca est une suite d’optimisation de Dassault Systèmes. Il s’agit d’un outil puissant d’optimisation des structures et des flux basée sur des simulations FEA et CFD. L’entreprise propose deux solutions de produits : Tosca Structure et Tosca Fluid. Tosca Structure peut être utilisé pour optimiser la conception de pièces légères, rigides et durables. Grâce à l’optimisation topologique, le processus de développement ainsi que le délai de mise sur le marché peuvent être réduits. C’est un avantage que les constructeurs automobiles, entre autres, savent utiliser. La version actuelle de Tosca est fournie avec Python 3.7.1 et a été améliorée pour inclure la création automatique de conditions d’arrêt. Le second produit, Tosca Fluid, est utilisé pour la conception et la topologie non paramétrique des flux de fluides pour les composants et les systèmes.

Tosca est beaucoup utilisé dans l’industrie automobile

z88

En 1985, le professeur Frank Rieg a développé la première version du logiciel Z88 à l’université de Bayreuth. Aujourd’hui, le logiciel a évolué pour inclure plusieurs variantes, telles que Z88OS, un noyau de calcul open source conçu pour une compréhension fondamentale de la FEA, ainsi que Z88Aurora®, une version avec interface graphique conviviale qui prend également en charge les données CAO. Z88Arion® se distingue par sa capacité d’optimisation topologique. De plus, les applications mobiles Z88Tina et Z88Mobile permettent une visualisation rapide des résultats des simulations. L’ensemble des logiciels de la famille Z88 reste gratuit et est principalement destiné à la formation en ingénierie dans les universités et les écoles spécialisées. Z88Arion® offre une interface intuitive associée à des cœurs de calcul puissants, intégrant un préprocesseur, un solveur et un postprocesseur, ce qui permet une prise en main rapide et des calculs efficaces.

(Crédit photo : Z88)

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