Franke, Rosswag et CADFEM analysent et optimisent des roulements légers

Plus de liberté dans la conception de la forme des roulements

Le point de départ était une géométrie fournie par Franke du roulement utilisé jusqu'à présent, qui est construit avec un corps de base en aluminium fabriqué de manière conventionnelle. F. Hollaus de CADFEM rappelle que "le roulement d'un diamètre d'environ 25 centimètres se compose d'une bague extérieure et d'une bague intérieure en deux parties. Les trois parties en aluminium ont été fabriquées par la méthode CNC et optimisées autant que possible en termes de poids pour ce procédé. Avec la fabrication additive, nous sommes beaucoup plus libres en termes de conception de la forme, de sorte que d'autres économies de matériau sont possibles, par exemple en remplaçant le matériau solide par des structures en grille appelées treillis."

F. Hollaus a importé la géométrie fournie par Franke dans Ansys Workbench pour la préparer à la simulation. La définition des roulements à billes dans les simulations FEM est fondamentalement difficile, mais Hollaus a pu s'appuyer sur une extension récemment développée par CADFEM lui-même, appelée CADFEM Rolling Bearing inside Ansys : "Chaque bille peut théoriquement avoir un contact avec les anneaux de fil en quatre points individuels, ce qui est difficile à représenter dans le maillage FEM. Notre extension modifie automatiquement le modèle afin que le calcul puisse fournir des résultats optimaux."

Les charges ont été calculées pour deux cas

Franke a également fourni les charges sur le roulement. Deux cas ont été calculés : D'une part, les charges réelles résultant des opérations en vol et, d'autre part, les charges nettement plus élevées prévues par les règlements d'homologation. En outre, les moments de flexion dans le roulement ont dû être pris en compte.

Après avoir défini toutes les charges et les zones à géométrie invariable du roulement, l'optimisation topologique a été lancée. Un résultat intéressant des calculs avec Ansys était que seules des contraintes négligeables apparaissaient dans une grande zone du corps de base ; le matériau y à donc été enlevé par l'optimisation topologique.

Des structures de support fixent les pièces imprimées en 3D

"Néanmoins, un faisceau laser applique la chaleur dans le matériau de manière extrêmement sélective - c'est là tout l'intérêt, après tout, de pouvoir imprimer de fins détails", poursuit M. Hollaus. "C'est pourquoi les pièces imprimées doivent être tenues à l'aide de structures de support afin qu'elles ne se déforment pas, voire qu'elles ne se courbent pas vers le haut, où elles entrent ensuite en collision avec la lèvre de la couche suivante. D'autre part, ces structures doivent être retirées manuellement et consomment de la matière, de sorte qu'il faut trouver un équilibre entre trop et trop peu de structures de soutien. À cette fin, on peut faire varier les paramètres d’impression tels que la vitesse et le temps d'exposition au laser, mais aussi l'orientation du composant dans l'espace. C'est exactement ce réglage optimal que nous déterminons avec Ansys Additive Suite et évitons ainsi toute erreur d'impression."

F. Hollaus a travaillé en étroite collaboration avec Philipp Schwarz, l'ingénieur de projet de Rosswag, pour simuler le processus d'impression. P. Schwarz se souvient de cette collaboration : "Chacun d'entre nous a apporté son expérience. Par exemple, nous avons ajouté sélectivement de la matière à la géométrie calculée par CADFEM aux endroits où un usinage était nécessaire, comme dans le siège du roulement. Nous avons également défini le positionnement dans l'espace et les structures de support. Puis le modèle global est retourné à CADFEM pour la simulation du processus de construction."

Bonne coopération même dans des conditions de pandémie

À part la réunion de lancement, qui a pu être organisée comme une vraie réunion peu avant le verrouillage en mars 2020, la quasi-totalité du projet s'est déroulée dans des conditions de pandémie. D'autres dispositions ont ensuite été prises via Microsoft Teams. Les représentations 3D d'Ansys ont prouvé leur valeur en tant que moyen de communication. Grâce à la coloration des modèles 3D avec les différentes contraintes dans le composant, les zones problématiques ont également pu être communiquées clairement lors de la réunion vidéo et des solutions ont été trouvées.

Franz Öhlert est très satisfait de la coopération dans le cadre du partenariat : "Il est vrai qu'il ne s'agissait pas d'une véritable commande client, mais nous voulions découvrir de notre propre initiative quelles économies pouvaient être réalisées avec l'optimisation topologique et la fabrication additive. Il s'agissait néanmoins d'une collaboration très réaliste et nous aurions également coopéré avec Rosswag et CADFEM dans le cadre de projets réels (ce que nous avons déjà fait). Notre équipe - composée des spécialistes des roulements de Franke, de l'expérience de Rosswag en matière d'impression 3D et de matériaux métalliques, et des experts en simulation de CADFEM - a été efficace et tout le monde a été impressionné par l'agréable collaboration. Nous avons obtenu un excellent résultat avec un effort acceptable et nous pourrons certainement utiliser l'expérience acquise grâce à ce projet dans la pratique future."

Les erreurs d'impression évitables permettent de réaliser d'importantes économies

 Florian Hollaus est également très satisfait du projet : "Nous avons pu montrer que nous pouvons simuler et optimiser le processus de fabrication de manière si réaliste avec le logiciel Ansys Additive Series, que le processus d'impression s'est déroulé sans aucun problème. Et le gain de poids de 16 %, sur un composant déjà optimisé, illustre ce que l'on peut obtenir en plus avec l'optimisation topologique et les libertés données par l'impression 3D."

Philipp Schwarz conclut : "En tant que prestataire de services expérimenté, nous bénéficions de l'optimisation des processus de fabrication que nous avons mise en œuvre avec CADFEM. L'impression 3D de métaux nécessite des investissements très importants en termes de machines, de matériaux et de savoir-faire, de sorte que chaque erreur d'impression évitée se traduit par une économie notable. Ansys Additive Suite nous a non seulement convaincus dans ce projet, mais elle est également utilisée avec succès dans notre activité quotidienne depuis plusieurs années."