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Posté par Redbran le Vendredi 30/09/2016 à 12:00
Exploiter les capacités de l'impression 3D

Illustration: SIGGRAPH
SIGGRAPH est une des conférences internationales de référence dans le domaine de l'informatique graphique. L'occasion pour nous de réaliser une série de focus thématiques. Dans ce dernier article, nous découvrons les recherches pour accompagner la révolution qu'apporte l'impression 3D dans la façon de concevoir des objets, que ce soit au niveau du design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une production industrielle. Bien qu'il...) ou de leurs propriétés physiques.

Les techniques de fabrication additive, dont l'impression 3D fait partie, apportent de nouvelles manières d'inventer les objets, notamment de par les formes très complexes qui peuvent désormais être réalisées. Cependant, ce type de conception pose des problèmes particuliers, les détails des formes devant par exemple jusque-là être ajoutés à la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est...) dans les logiciels de conception par ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous...).

Dans le cadre de son ERC Starting Grant Shapeforge puis son ERC Proof of Concept IceXL, Sylvain Lefebvre, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) dans l'équipe-projet commune Inria ALICE, au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale...) du Laboratoire lorrain de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) en informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines telles que les...) et ses applications (Loria - CNRS/Université de Lorraine/Inria), travaille sur cette problématique avec l'objectif de mieux exploiter les capacités de l'impression 3D. Pour accompagner les utilisateurs de fabrication additive dans la création de formes compliquées, il souhaite que ce soit l'algorithme qui prenne en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...) la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en...) de conception, et non l'usager.

Trois types de contraintes doivent être pris en compte. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord les contraintes géométriques, inhérentes au type de fabrication additive. Dans le cas d'une impression 3D, il y a par exemple une épaisseur minimale de dépôt de produit à respecter. De même, l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations...) étant fabriqué couche par couche, il n'est pas possible qu'un élément "apparaisse" au milieu de l'objet sans rien au-dessous. Le logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements effectués automatiquement par un appareil informatique. Y sont inclus les instructions de...) de conception doit donc intégrer automatiquement ces paramètres et alerter l'utilisateur en cas d'erreur.

Un autre type de contrainte concerne la structure de l'objet. Quand un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) a beaucoup de détails, il peut devenir difficile de vérifier qu'un objet reste bien entier et ne se décompose pas en morceaux du fait de liaisons trop faibles entre des parties. Une analyse importante doit également être réalisée pour assurer que l'objet une fois imprimé répondra à des caractéristiques physiques particulières pour résister à certaines déformations ou poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé...) exercés.

Enfin, une des spécificités du projet ERC ShapeForge est la prise en compte d'une contrainte esthétique dans la conception, avec une réflexion sur comment définir une forme harmonieuse, ce qui permet des applications concrètes en design d'objet.


Combiner automatiquement des motifs sur une structure 3D

Une des publications présentée à SIGGRAPH s'attaque au problème du packing, ou empilement compact, pour savoir créer automatiquement des combinaisons de motifs qui, ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...), forment des structures rigides. L'objectif est ici que les motifs gardent leur aspect esthétique et qu'on puisse donc les distinguer, mais aussi qu'ils soient suffisamment proches pour assurer la solidité de l'objet à imprimer. Plutôt que d'empêcher les éléments de se recouvrir, les chercheurs ont décidé d'exploiter les autosimilarités des formes pour créer des recouvrements compatibles avec l'aspect visuel, et préservant la solidité de l'objet. Etant donné deux motifs positionnés l'un par rapport à l'autre, la distance de Hausdorff (En topologie, la distance de Hausdorff mesure l’éloignement de deux sous-ensembles d’un espace métrique. Elle porte le nom du mathématicien allemand Felix Hausdorff.) modifiée (distance utilisée en reconnaissance de formes) permet de déterminer si les motifs se touchent ou se recouvrent de manière compatible.

Pour permettre un agencement harmonieux quelle que soit la forme de l'objet à recouvrir de motifs, les chercheurs ont aussi travaillé sur la possibilité de permettre de légères déformations dans le cas de motifs non connectés, afin de fournir une solution visuellement acceptable bien qu'imparfaite.


Enfin, après avoir exploité ces deux premiers ajustements, les chercheurs ont développé une 3e étape appelée boosting, en faisant appel à l'optimisation stochastique. Le but est de partir d'une solution, et grâce à un algorithme itératif, d'explorer différentes mises à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...) aléatoires des positions des motifs. Pour accélérer l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.), il est possible de créer une base de données (En informatique, une base de données (Abr. : « BD » ou « BDD ») est un lot d'informations stockées dans un dispositif informatique. Les technologies...) des bonnes combinaisons de de motifs découvertes au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la...) et à mesure, et ainsi d'éliminer rapidement les mauvaises positions

La dernière étape consiste en une analyse structurelle pour vérifier que l'objet répond aux caractéristiques physiques demandées. S'il n'est pas assez solide sur certains points, la procédure de conception est renouvelée en encourageant plus de connexions de motifs aux points faibles identifiés. Cela permet ainsi d'obtenir une optimisation de l'agencement des motifs qui puisse s'adapter à n'importe quelle structure finale.


Les applications de ces recherches sont nombreuses, touchant au domaine du design, que ce soit pour les objets de décoration ou d'ameublement, mais aussi à l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) ou même pour la conception de vêtements. Une collaboration débute avec l'École des Beaux-Arts de Nancy, où les chercheurs souhaitent approfondir les besoins spécifiques des designers en terme de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) sur les différentes variables de conception du logiciel.

Publication: Synthesis of Filigrees for Digital Fabrication, de Weikai Chen [1], Xiaolong Zhang [1], Shiqing Xin [2], Yang Xia [3], Sylvain Lefebvre [4] et Wenping Wang [1]

Combiner des microstructures pour répondre aux contraintes physiques

La plupart des imprimantes 3D ne permettent d'utiliser qu'un seul matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) pour la création d'un objet. Or les propriétés mécaniques de ce matériau peuvent ne pas convenir au projet. Il est également possible que le projet nécessite des rigidités différentes selon les parties de l'objet, avec un extérieur plus dur par exemple.

Pour répondre à ces problématiques, les chercheurs ont étudié comment mettre en place des microstructures pour répondre aux spécificités physiques attendues. Leur solution est de créer une mousse aléatoire, mais dont on puisse prédire les propriétés mécaniques. Pour cela ils ont utilisé l'homogénéisation, outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) mathématique qui leur a permis de traduire en équations les attentes vis-à-vis de l'objet final, afin de pouvoir définir un matériau homogène "équivalent" à une mousse aléatoire.

À partir de ce matériau équivalent (ou plusieurs si les densités varient dans l'objet), ils ont défini la structuration de la mousse en utilisant des diagrammes de Voronoï. En plaçant des "grains" dans l'espace en fonction des propriétés mécaniques attendues, les diagrammes créent des découpages appelés cellules tels que tous les points à l'intérieur d'une cellule sont plus proches de leur grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève soudainement et qui est généralement accompagné de précipitations. Il se produit généralement au passage d'une ligne d'orages. Voir...) que de n'importe quel autre. Les arêtes du diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de...) définissent ainsi les rayons de la mousse à imprimer.

Grâce à cet outil particulièrement flexible, les chercheurs ont défini une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille...) en fonction de l'élasticité voulue du matériau, en jouant sur le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de grains et l'épaisseur des arêtes imprimées par la machine. Cette méthode permet donc un ajustement très fin en fonction des besoins.


Il restait un dernier problème pour la génération de cette structure aléatoire. En effet, remplir un objet de 50 cm avec des éléments d'une épaisseur de 30 microns pourrait demander des capacités mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) gigantesques. Pour résoudre cette problématique, les chercheurs se sont inspirés des techniques d'informatique graphique employés dans les jeux vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté...) ou le cinéma (On nomme cinéma une projection visuelle en mouvement, le plus souvent sonorisée. Le terme désigne indifféremment aujourd'hui une salle de projection ou l'art en lui-même.). En effet, il arrive bien souvent qu'il soit nécessaire de représenter une planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa...) compète, avec de nombreux détails. Pour pouvoir représenter cet espace, on utilise des méthodes de textures procédurales qui permettent d'attribuer une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) à chaque point (Graphie) grâce à une fonction. En faisant apparaître tous les points, on obtient ainsi un rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et des...) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe...) complexe (comme le bois ou le marbre). Cela permet ainsi de générer à très faible coût de calcul des motifs riches. Les chercheurs ont étendu cette technique en passant du pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution anglaise picture element, qui signifie « élément...) au voxel, c'est-à-dire d'un carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure....) d'image à un cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de...). En décrivant en tout point de l'espace si celui-ci est plein ou vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), il est possible d'avoir un ensemble cohérent et de charger au fur et à mesure dans la mémoire de l'imprimante (Les imprimantes ont été conçues dès l’apparition des premiers ordinateurs, pour permettre la consultation et la conservation sur support...) 3D les tranches d'impression en cours de fabrication


L'intérêt d'un tel apport est évident, pour permettre la création d'objets plus légers et tout aussi résistants, voire indéformables. Un projet concerne aussi une prothèse (Une prothèse est un dispositif artificiel destiné à remplacer un membre, un organe ou une articulation.) de doigt dont les phalanges ont une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour...) plus faible permettant la flexion, mais n'ayant pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les...) de structure mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...). La création d'une mousse permet aussi d'exploiter les apports d'un milieu poreux qui est solide mais laisse passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) des éléments comme l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...), l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ou même les cellules.

Publication: Procedural Voronoi Foams for Additive Manufacturing, de Jonàs Martínez [4], Jérémie Dumas [4] et Sylvain Lefebvre [4]


Notes:
[1] The University of Hong Kong (Devise nationale : Sapientia et Virtus)
[2] Ningbo University
[3] Dalian University of Technology
[4] Équipe-projet commune Inria ALICE, au sein du Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications (Loria - CNRS/Université de Lorraine/Inria)


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Source et illustration: CNRS-INC