Comment optimiser l’impression 3D des structures complexes ?

Si la fabrication additive facilite la production de structures de grande taille, sa mise en œuvre s’avère plus compliquée dès lors qu’il s’agit de traiter des géométries complexes. Pour dépasser ces difficultés et répondre à des enjeux d’optimisation structurelle, l’action exploratoire CONTINUA, portée par Jonàs Martinez Bayona, chargé de recherches Inria dans l’équipe MFX du Centre Inria de l’Université de Lorraine et du Loria, a mobilisé science informatique et mécanique computationnelle autour d’une approche méthodologique inédite.

« La méthode de fabrication additive la plus souvent utilisée pour réaliser des impressions 3D à grande échelle procède par extrusion de matériaux déposés en couches successives par une buse montée sur un bras robotisé. » À la description que Jonàs Martinez Bayona fait du fonctionnement d’une imprimante 3D, on comprend l’engouement du monde scientifique et industriel pour cette technologie qui facilite la production de pièces aux propriétés spécifiques tout autant que celle de structures à grande échelle. Pourtant, celles dont la géométrie implique le traitement de grandes quantités de données posent encore des problèmes d’optimisation, en particulier lorsque les structures concernées sont soumises à des contraintes mécaniques ou environnementales importantes.

« Si vous voulez, par exemple, imprimer un pont en utilisant le moins de matière possible, il faudra qu’il soit conçu de manière à résister au passage des véhicules mais également aux effets de la gravité, afin qu’il ne s’effondre pas sous son propre poids. » Cette conception optimisée nécessite un dépôt de matière précis, dosé et surtout homogène. « Il ne doit pas y avoir d’interruption dans le flux d’extrusion, car à chaque fois que la tête d’impression s’arrête ou change de direction, des défauts risquent d’apparaître. » C’est à cet impératif de continuité que CONTINUA, l’action exploratoire dirigée par Jonàs Martinez Bayona, doit son nom. Son objectif : étudier de manière approfondie des trajectoires de dépôt réalisables afin de permettre la fabrication additive optimisée de structures complexes de grande taille.

Une approche d’optimisation novatrice

« Les méthodes traditionnelles d’optimisation structurelle pour la fabrication additive s’appuient sur des formes géométriques qui ne considèrent pas exactement le chemin de déposition » explique Jonàs Martinez Bayona. Elles supposent que la géométrie de chaque couche se solidifie instantanément, alors que les trajectoires de dépôt desdites couches, calculées a posteriori, ne sont pas prises en compte lors du processus d’optimisation. Ainsi, soit elles optimisent une forme 3D intermédiaire qui est par la suite décomposée en chemins, ce qui peut entrainer une perte de précision, soit elles s’appuient sur une représentation 2D de l’élément à produire.

« Pour reprendre l’exemple du pont, ces méthodes optimisent la géométrie théorique de l’ouvrage. Celle-ci est ensuite appliquée dans des algorithmes qui vont l’approximer pour définir un ensemble de chemins de déposition. L’idée clé de CONTINUA est de réaliser l’optimisation directement sur les chemins de déposition afin d’appliquer les instructions précises de tous ceux qui contribueront à fabriquer le pont. » Un changement d’approche qui passe, en premier lieu, par la formulation mathématique de la problématique. Son analyse conduira à l’élaboration d’hypothèses algorithmiques elles-mêmes évaluées lors de la production d’échantillons réalisés sur l’imprimante céramique acquise dans le cadre de l’action exploratoire.

L’accompagnement de la mécanique computationnelle

« Ce défi », Jonàs Martinez Bayona a entrepris de le relever avec la collaboration de Luis Mollericon Titirico, jeune doctorant dont il encadre la thèse. « Nous avons travaillé sur des objectifs d’optimisation simple en étudiant des chemins de déposition uniquement circulaires dont il s’agissait de contrôler l’allongement et l’épaisseur. Le but était d’obtenir une structure autoportante offrant le maximum de volume tout en résistant aux contraintes mécaniques liées, du fait de l’influence de la gravité, à l’ »autopoids ». » La structure en question se présente sous forme d’un vase en cône tronqué composé d’un empilement d’anneaux élastiques.

Lors de ces recherches, Luis Mollericon Titirico a passé six mois à Copenhague où il a pu bénéficier du précieux accompagnement de Ole Sigmund, professeur en génie mécanique à l’Université Technique du Danemark (DTU). « Un expert de l’optimisation mécanique »précise Jonàs Martinez Bayona, qui ne cache pas son admiration pour son confrère danois. « C’est l’un des meilleurs au monde, sinon le meilleur, dans ce domaine. »

J’ai rencontré Jonàs par l’intermédiaire de collègues et l’ai invité à Copenhague pour qu’il examine la thèse de doctorat d’un de mes étudiants. Nos intérêts de recherche communs ont conduit à un rapprochement autour du projet CONTINUA pour lequel j’ai contribué à l’élaboration de l’idée originale, donné des conseils sur les aspects techniques et participé aux discussions sur la génération des résultats. J’ai également collaboré avec Luis lorsqu’il a séjourné à la DTU pour mener ses recherches et participer à notre école d’été doctorale internationale, au sein du groupe TopOpt qui accueille de nombreux visiteurs. Des collaborations comme celle-ci, avec des intervenants externes qui possèdent d’autres expertises, sont très enrichissantes. Elles ouvrent de nouvelles perspectives qui incitent à relever des défis pour favoriser le développement technologique. 

Ole Sigmund
Professeur à l’Université technique du Danemark

Explorer de nouveaux chemins

Jonàs Martinez Bayona a toujours accordé une place importante à l’interdisciplinarité dans ses projets de recherche : « C’est très enrichissant, tant au niveau scientifique qu’humain. Ole Sigmund fait preuve d’une très grande ouverture d’esprit et sait reconnaître le potentiel de chercheurs qui évoluent dans d’autres domaines que le sien. » Après trois années de partenariat, les travaux de CONTINUA se sont achevés à la fin de l’année 2025. Les résultats ont été présentés dans un article intitulé Structural optimization of a stack of elastic rings under gravity publié dans Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, la revue de référence en matière de mécanique computationnelle.

Pour Jonàs Martinez Bayona, qui rappelle que « les actions exploratoires ont vocation à explorer de nouveaux chemins », la mission est parfaitement remplie. « Tous les codes vont être mis à disposition en open source dans l’espoir d’inciter ou d’aider d’autres chercheurs à poursuivre dans la même direction. L’objectif à long terme est de prendre en compte des formes de plus en plus complexes. » En attendant le pont qui sera peut-être un jour fabriqué par une imprimante 3D, CONTINUA a indéniablement contribué à en bâtir un vers l’avenir de la fabrication additive.