De la conception à la fabrication assisté par ordinateur CAO - FAO/Conception assisté par ordinateur
Définition du termes modifier
La Conception Assistée par Ordinateur ou également connu en anglais par CAO (Computer Aided Design), rassemble des outils informatiques (logiciels et matériels) qui permettent de réaliser une modélisation géométrique d'un objet afin de pouvoir simuler des tests en vue d'une fabrication.
Avantages de la CAO :
-La CAO permet une visibilité de l’objet avant qu’il ne soit produit, tant au niveau de l’aspect esthétique, que de sa structure et de son fonctionnement.
-Elle permet également de créer l’objet en 2D, en 3D
-Elle permet de gérer les apparences : filaire, volumique, surfacique ainsi que la texture.
-Elle permet d'optimiser l'implantation des composants
Historique modifier
La CAO est apparue il y a plus de 50 ans et fut d’abord utilisée à des fins militaires puis elle s’est étendue dans les industries civiles telles que : l’automobile, l’informatique, l'architecture…
En 1957, Patrick J. Hanratty développe pour la société General Electric un programme PRONTO (Program for Numerical Tooling Operations).
Puis en 1963, Yvan Sutherland présente sa thèse de doctorat intitulée « Sketchpad » dans laquelle il développe un programme de conception assistée par ordinateur pour utiliser un crayon optique et pour manipuler des objets affichés sur un écran cathodique. C’est le début de l’interface graphique et de la modélisation 3D.
Avec l'émergence des stations de travail UNIX au début des années 1980, les systèmes de CAO se développent énormément et sont surtout utilisés par l'aérospatiale, le secteur automobile et les industries. La CAO s’est très répandue grâce aux progrès de l’informatique (matériel et logiciel).
Les logiciels modifier
Les logiciels de CAO sont très nombreux et peuvent être spécialisés selon les domaines techniques :
| CAO pour la mécanique | CAO pour l’électronique | CAO pour l’électrotechnique |
|---|---|---|
| PTC Creo Parametric | Altium Designer | AutoCad Electrical |
| ESPRIT | DesignSpark PCB | Engineering Base |
| Solid Edge | Eagle | E3. series |
| CATIA | gEDA | AxiomCAD |
| TopSolid | KiCad | Solidworks electrical |
Certains sont même disponibles en Open Source :
- Art of Illusion
- Blender
- FreeCAD
- ImplicitCAD
- pythonOCC
Les différentes fonctionnalités et les méthodes de dessins modifier
On retrouve en CAO de nombreuses fonctionnalités similaires parmi les différents logiciels.
Il y a les fonctionnalités d’esquisse, de création de volume, de mise en plan, d’assemblage et plein d’autres compléments. Dans cette partie, nous nous intéresserons uniquement aux fonctionnalités primaires des logiciels de CAO qui sont la création d’esquisse, de volume et de mise en plan.
Commençons par l'esquisse: Elle définit les futurs volumes à créer.
C’est un dessin sur un plan constitué de lignes, de cercles et de traits d’axe auxquels on va pouvoir donner des dimensions pour obtenir un volume de la taille souhaitée. Lorsque l’on crée une esquisse, il faut penser à la façon dont on veut créer le volume. Les parties création d’esquisse et de volume sont étroitement liées.
Un volume est toujours créé à partir d’une esquisse.
On va pouvoir faire de nombreuses opérations de mise en forme des volumes :
- Extruder/créer un volume dans une direction,
- Créer un volume autour d’un axe
- Enlever de la matière dans un volume existant
- Rayonner/chanfreiner un coin, une arête
- Symétriser un volume par rapport à un plan
Enfin la mise en plan de la pièce créée.
La mise en plan c’est ce qui va permettre de créer le plan coté de la pièce pour pouvoir la produire.
Dans ce plan, la pièce doit être entièrement définie. Pour cela on va tout d’abord choisir les vues adaptées. Ensuite il faut mettre en place toutes les côtes, avec leurs tolérances. On peut également mettre une vue 3D qui facilitera la compréhension de la pièce.
En bas du plan on retrouve le cartouche du plan. C’est là que l’on retrouve la matière de la pièce, le nom de la pièce, la tolérance générale ou encore le nom du concepteur.
Les assemblages modifier
Une fois que l’on a dessiné nos pièces une par une ou alors que l’on a trouvé des pièces ou sous-ensembles déjà dessinés, on va pouvoir les assembler.
Pour cela, on va placer une première pièce dans un assemblage, qui sera la pièce référence. Ensuite on va ajouter les autres pièces en définissant des contraintes d'assemblage. Cela va permettre de s’assurer que tout s’assemble bien et qu’il n’y a pas de collision.
Pour assembler les pièces on va disposer de plusieurs contraintes :
les contraintes standard ou l’on retrouve des contraintes de coïncidence, parallélisme, perpendicularité, tangente, coaxialité, blocage, distance et d’angle. Ce sont celles-ci qui seront principalement utilisées.
Pour aller plus loin on peut se servir des contraintes avancées ou alors des contraintes mécaniques qui vont permettre de simuler des liaisons de type engrenage, cardan.. et ainsi pouvoir mettre en mouvement notre assemblage.
Les compléments modifier
Il existe de nombreux compléments pour les logiciels de CAO.
Tout d’abord il y a le complément de surfacique. Celui-ci est utilisé pour la création de forme complexe et sert notamment pour du design. Mais avant de s’en servir il faut déjà bien maîtriser les outils de base vu précédemment.
Ensuite il y a des complément de simulation :
- La simulation de résistance mécanique qui va permettre d’évaluer la résistance d’une pièce ou d’un assemblage. On va pouvoir reproduire différentes liaisons (encastrement, appui plan…) et appliquer des efforts sous forme de force en un point, de pression ou encore de couple. Enfin on pourra observer les déformations, les déplacements et les contraintes sur la pièce.
- La simulation de flux qui est utilisée pour évaluer des débits passant dans un tuyau par exemple.
Les outils de simulation sont très complets mais nécessitent une grande rigueur pour le paramétrage pour espérer obtenir des résultats cohérents.
Pour aller plus loin, voici une étude que nous avons réalisée :
On étudie le comportement d'un disque en rotation à vitesse élevée. Tout d’abord on réalise le modèle géométrique du disque. On applique un matériau à la pièce : Acier non allié 36CrNiMo4.
Nous réalisons une étude statique en repère non galiléen.
On fait ensuite une symétrie sur les deux faces latérales du quart de disque. Puis on vient fixer un point du disque.
Ensuite on applique une force centrifuge sur la surface intérieure du cylindre.
Voici le résultat de la déformation.
On s’aperçoit que la force centrifuge applique une forte contrainte max sur la pièce : 446 MPa.
Le déplacement max induit est aussi important : 0,06 mm.
Si on modifie le matériau de la pièce en Plastique ABS, on obtient les résultats suivant :
On constate que la contrainte max (60 MPa) et les déplacements max (0,8 mm) sont fortement dépendant du matériau appliqué à la pièce.
Effort centrifuge sur un disque évidé :
On cherche à étudier les changements de comportements suite aux modifications de la pièce. Nous avons modifié le modèle avec 3 évidements.
Les résultats que nous obtenons sont les suivants (pour un acier 36CrNiMo4).
On constate une augmentation importante de la contrainte max : on passe de 446 MPa à 987 MPa.
Idem pour les déplacements max : on passe de 0,06 mm à 0,4 mm.
Les évidements démontrent bien que la géométrie de la pièce influence les résultats obtenus.