CAO et Conception 3D
SolidWorks, Fusion 360, esquisses, features, assemblages
Objectifs pédagogiques
- Comprendre les principes fondamentaux de la Conception Assistée par Ordinateur (CAO)
- Maîtriser la logique de construction d'un modèle 3D paramétrique
- Créer un assemblage complexe en appliquant des contraintes géométriques
- Analyser un workflow complet de conception en lien avec un processus industriel
Introduction : La CAO, coeur de l'innovation industrielle
Exemple concret : La prothèse de main bionique Open Bionics "Hero Arm"
Imaginez concevoir un dispositif médical qui doit être à la fois fonctionnel, ergonomique, esthétique et personnalisé pour chaque patient. C'est le défi relevé par Open Bionics avec sa prothèse de main bionique.
Le processus industriel :
- Scan 3D du moignon du patient pour obtenir un modèle numérique précis
- Conception et adaptation sur Fusion 360 : ajustement des modèles aux dimensions du scan
- Simulations : tests virtuels de la cinématique des doigts et de la résistance des matériaux
- Fabrication : pièces imprimées en 3D directement à partir des fichiers CAO
- Assemblage : intégration des moteurs, capteurs et composants électroniques
La CAO n'est pas qu'un simple outil de dessin. C'est un environnement de développement produit intégré qui lie la conception, la simulation, la fabrication et la documentation.
1Les Principes Fondamentaux de la CAO
Définition et Enjeux
La Conception Assistée par Ordinateur (CAO) est l'utilisation de logiciels informatiques pour créer, modifier, analyser et optimiser un design. En STI2D ITEC, nous nous concentrons sur la CAO 3D paramétrique, où chaque dimension est pilotée par un paramètre modifiable.
Pourquoi la CAO 3D est-elle indispensable ?
- Réduction des coûts et du temps : fini les prototypes physiques coûteux
- Collaboration : fichiers partageables entre les services
- Intégration : lien direct avec la FAO et la fabrication additive
Les Logiciels Industriels
| Logiciel | Éditeur | Usage principal |
|---|---|---|
| SolidWorks | Dassault Systèmes | Standard en formation et industrie mécanique |
| Fusion 360 | Autodesk | Cloud, conception générative, drones |
| Catia | Dassault Systèmes | Aérospatial et automobile haut de gamme |
| Inventor | Autodesk | Similaire à SolidWorks |
L'Arbre de Construction : L'ADN de votre Modèle
C'est l'historique intelligent de votre conception. Chaque opération (feature) y est enregistrée dans l'ordre.
- Modifiable à tout moment : double-cliquer sur une fonction pour changer une dimension
- Dépendances : modifier une esquisse met à jour toutes les features dépendantes
- Organisation : permet de structurer le modèle
Bonnes pratiques : Nommez vos features ("Bâti_Moteur", "Alésage_10mm") pour une modification future aisée.
2Modélisation Volumique - De l'Esquisse 2D au Solide 3D
L'Esquisse 2D Contrainte : Les Fondations
Toute pièce commence par une esquisse 2D sur un plan.
- Entités géométriques : lignes, cercles, arcs, rectangles
- Contraintes géométriques : horizontalité, perpendicularité, concentricité
- Contraintes dimensionnelles : cotes de longueurs, diamètres, angles
Exemple Drone : Pour dessiner un bras de drone, on crée une esquisse avec un profil en "L". On contraint un côté à l'horizontale, on définit l'épaisseur (5mm) et la longueur (150mm). Une esquisse doit être totalement définie (couleur noire).
Les Features de Base
Extrusion (Boss/Extrude)
- Protrusion : ajoute de la matière
- Découpe (Cut) : enlève de la matière
- Options : Blind, Up To Next, Symétrique
Révolution (Revolve)
- Crée un solide de révolution autour d'un axe
- Exemple : poulie, vase, axe conique
- Demi-profil qui tourne à 360°
Balayage (Sweep)
- Déplace un profil le long d'un chemin
- Exemple : tuyau souple, câble de drone
Lissage (Loft)
- Crée une transition entre plusieurs profils
- Exemple : carénage aérodynamique, poignée
Les Features d'Édition
- Perçage (Hole Wizard) : trous taraudés (M3, M4, M5...), fraisés (90°, 120°), avec congés
- Congés/Arrondis : suppriment les arêtes vives pour sécurité et resistance (rayon 1-5mm typique)
- Nervures (Ribs) : ajoutent de la rigidite avec peu de matiere (epaisseur = 0,5 a 0,7 × epaisseur paroi)
- Coque (Shell) : evide une piece pour creer une paroi d'epaisseur constante (2-4mm pour plastique injection)
- Chanfreins : biseaux a 45° pour faciliter l'assemblage et supprimer les bavures
- Repetitions (Patterns) : lineaires ou circulaires pour multiplier des features identiques
Tolerances et Ajustements en CAO
Tolerances ISO pour ajustements
H7/g6 (glissant) | H7/h6 (tournant) | H7/p6 (serre)
| Type d'ajustement | Alesage | Arbre | Jeu/Serrage (Ø20) |
|---|---|---|---|
| Glissant (lubrification) | H7 (+0/+21µm) | g6 (-7/-20µm) | Jeu 7 a 41µm |
| Tournant (roulement) | H7 (+0/+21µm) | h6 (0/-13µm) | Jeu 0 a 34µm |
| Serre (goupille) | H7 (+0/+21µm) | p6 (+22/+35µm) | Serrage 1 a 35µm |
Workflow type : Palier de Bras de Drone
- Plan de référence : Choisir le plan XZ
- Esquisse 1 : Rectangle 50x30mm → Extrusion 15mm → Base
- Esquisse 2 : Cercle Ø20mm → Extrusion 30mm → Bossage
- Feature Perçage : Trou traversant Ø10mm pour l'axe
- Feature Coque : Épaisseur 2mm → bac creux
- Feature Congés : Rayon 2mm sur arêtes vives
3Assemblages et Contraintes
Principe d'un Assemblage
Un assemblage est un fichier qui contient plusieurs pièces (composants) positionnées les unes par rapport aux autres à l'aide de contraintes.
Exemple Drone Quadricoptère : 4 bras + 1 châssis central + 4 moteurs + 4 hélices. L'assemblage définit comment ces pièces s'emboîtent et interagissent.
Les Contraintes d'Assemblage
| Contrainte | Description | Usage |
|---|---|---|
| Coïncidence | Face/face, axe/axe, point/point | Aligner des surfaces |
| Parallèle / Perpendiculaire | Orienter les géométries | Orientation relative |
| Distance / Angle | Positionner avec une valeur précise | Espacement, inclinaison |
| Insertion / Joint Cylindrique | Axe coaxial + coïncidence de faces | Vis dans un trou taraudé |
Cinématique et Simulations
- Moteurs d'animation : rotation ou translation appliquée à une pièce
- Détection d'interférences : vérifie si les pièces se traversent
- Simulations statiques : vérifie la résistance sous charge
- Cinématique/Dynamique : analyse les mouvements et accélérations
Résumé en 5 points clés
- 1La CAO 3D paramétrique est le standard industriel pour concevoir, simuler et préparer la fabrication.
- 2L'arbre de construction est l'historique modifiable de la pièce. Sa bonne organisation est cruciale.
- 3Tout part d'une esquisse 2D contrainte à laquelle on applique des features pour créer le volume.
- 4Un assemblage relie des pièces via des contraintes pour créer un mécanisme.
- 5La CAO s'intègre dans un flux complet (CAO → CAE → CAM) qui réduit le temps de développement.
Mini-Quiz
Question 1 : Quelle est la première étape avant de réaliser une extrusion ?
a) Sélectionner un matériau
b) Créer une esquisse 2D fermée et totalement contrainte
c) Définir la résolution du maillage
Réponse : b) L'extrusion a besoin d'un profil 2D fermé et bien défini
Question 2 : Que se passe-t-il si vous modifiez une esquisse de base ?
a) Seule l'extrusion concernée change
b) Toutes les features dépendantes se mettent à jour automatiquement
c) Le logiciel génère une erreur
Réponse : b) C'est le principe de la paramétrie
Question 3 : Quelle contrainte pour qu'une roue tourne librement sur un axe ?
a) Coincidence entre les deux faces
b) Coincidence entre faces + distance
c) Joint Cylindrique (coincidence d'axes + faces)
Reponse : c) Supprime tous les degres de liberte sauf la rotation
Question 4 : Quel ajustement choisir pour monter un roulement dans un alesage ?
a) H7/g6 (glissant)
b) H7/h6 (tournant)
c) H7/p6 (serre)
Reponse : b) H7/h6 permet une rotation libre avec un jeu minimal
Question 5 : Quelle epaisseur de nervure recommande-t-on pour une paroi de 3mm ?
a) 3mm (meme epaisseur)
b) 1,5 a 2,1mm (50 a 70%)
c) 5mm (plus epais)
Reponse : b) La regle est epaisseur nervure = 0,5 a 0,7 × epaisseur paroi pour eviter les retassures
